Filamentos de hidrogéis à base de polímeros para a incorporação de células : avaliação reológica, biomecânica e uso de aprendizado de máquina

Abstract

Resumo: Hidrogéis são materiais poliméricos com alta capacidade de retenção de água e são amplamente estudados devido às suas aplicabilidades em diversas áreas, incluindo medicina regenerativa e engenharia de tecidos. Suas propriedades mecânicas, como resistência à tração e elasticidade, são de grande importância para determinar sua viabilidade em aplicações biomédicas. A incorporação de células em hidrogéis permite criar ambientes tridimensionais propícios ao crescimento celular, a simulação de tecidos e a análise de interações celulares. Essa combinação de características torna os hidrogéis candidatos promissores para a criação de estruturas biomiméticas para regeneração de tecidos e estudos de células in vitro. O presente estudo avaliou a utilização de hidrogéis formulados com biopolímeros naturais, alginato de sódio e gelatina em diferentes concentrações, para confeccionar filamentos biopoliméricos resistentes à tração eletromecânica para uso como suporte celular. Os biopolímeros alginato de sódio e gelatina foram utilizados como base para os hidrogéis, assim como o cloreto de cálcio como o agente reticulante. A partir de delineamento experimental do tipo planejamento composto central, combinações entre os biopolímeros e o agente reticulante foram definidas. Utilizando a técnica de fiação úmida, foram fabricados variados filamentos que posteriormente foram avaliados mecanicamente (com e sem células) e microscopicamente (microscopia de luz, microscopia de força atômica e microscopia eletrônica de varredura). Foram encontradas sete combinações com melhores resistência à tração eletromecânica, nas quais o meio de cultivo celular Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) foi utilizado como solubilizante. Posteriormente a análise revelou variações nas propriedades de tração e nanorrugosidade dos filamentos, indicando que a modulação das concentrações desses polímeros influencia as características micro e nanomecânicas dos filamentos biopoliméricos resultantes, assim como a adição de células influencia nessas propriedades. O teste de armazenamento das formulações selecionadas evidenciou que a DMEM-10 (8,36% de alginato de sódio, 4% de gelatina e 2% de CaCl2 – p/v – solubilizados em meio DMEM) não alterou suas propriedades de resistência em um intervalo de quatro semanas. A técnica de microscopia de luz foi fundamental para a compreensão morfológica dos materiais desenvolvidos, bem como para visualizar a organização da malha do biomaterial internamente. Pela microscopia eletrônica de varredura, utilizando a combinação DMEM-10 com e sem células OSCC-3 para a produção de filamentos, foi possível identificar estruturas externas lisas, poros íntegros e colapsados, bem como a adesão das células às redes poliméricas dos materiais testados. Ademais, o uso de inteligência artificial possibilitou classificar e predizer as imagens obtidas por microscopia de luz, a partir da criação de um banco de dados, com considerável sucesso. Este estudo explorou a formulação de hidrogéis utilizando alginato de sódio e gelatina para confeccionar filamentos biopoliméricos resistentes à tração e suportar células. As combinações otimizadas (principalmente a combinação que produziu o hidrogel DMEM-10), influenciaram nas propriedades mecânicas, nanorrugosidades e as morfologias observadas pelas microscopias. A partir deste estudo, vislumbra-se um horizonte promissor na utilização de hidrogéis formulados com alginato de sódio e gelatina, especialmente na criação de estruturas biomiméticas para regeneração de tecidos e estudos de células in vitro

Abstract: Hydrogels are polymeric materials with a high-water retention capacity and are widely studied due to their applications in various fields, including regenerative medicine and tissue engineering. Their mechanical properties, such as tensile strength and elasticity, are of great importance in determining their viability in biomedical applications. The incorporation of cells into hydrogels allows for the creation of three-dimensional environments conducive to cell growth, tissue simulation, and cellular interaction analysis. This combination of characteristics makes hydrogels promising candidates for creating biomimetic structures for tissue regeneration and in vitro cell studies. The present study evaluated the use of hydrogels formulated with natural biopolymers, sodium alginate, and gelatin at different concentrations to manufacture electromechanically resistant biopolymeric filaments for use as cell supports. Sodium alginate and gelatin biopolymers served as the base for the hydrogels, with calcium chloride as the cross-linking agent. Combinations of biopolymers and the cross-linking agent were defined using a central composite design experimental approach. Various filaments were manufactured using the wet spinning technique, and these were subsequently mechanically and microscopically evaluated (with and without cells) using light microscopy, atomic force microscopy, and scanning electron microscopy. Seven combinations with the best electromechanical tensile strength were identified, using Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) as the solubilizing medium. Subsequent analysis revealed variations in the tensile properties and nanoroughness of the filaments, indicating that the modulation of polymer concentrations influences the micro and nano-mechanical characteristics of the resulting biopolymeric filaments, as well as the addition of cells influencing these properties. Storage testing of the selected formulations demonstrated that DMEM-10 (8.36% sodium alginate, 4% gelatin, and 2% CaCl2 w/v solubilized in DMEM medium) did not alter its tensile properties over a four-week period. Light microscopy was essential for understanding the morphology of the developed materials and visualizing the internal biomaterial mesh organization. Scanning electron microscopy, using the DMEM-10 combination with and without OSCC-3 cells for filament production, identified smooth external structures, intact and collapsed pores, as well as cell adhesion to the polymeric networks of the tested materials. Additionally, the use of artificial intelligence enabled the classification and prediction of light microscopy images, with considerable success, through the creation of a database. This study explored the formulation of hydrogels using sodium alginate and gelatin to manufacture tensile-resistant biopolymeric filaments for cell support. The optimized combinations, particularly the DMEM-10 hydrogel, influenced mechanical properties, nanoroughness, and the morphologies observed through microscopy. From this study, a promising future is envisioned for the use of hydrogels formulated with sodium alginate and gelatin, especially in the creation of biomimetic structures for tissue regeneration and in vitro cell studies