Development of Novel Biomimetic Electroactive Environments with Bioactive Molecules for Musculoskeletal Regeneration

Abstract

[ES] El sistema musculoesquelético tiene una capacidad de regeneración limitada. Las pérdidas importantes de tejido no se pueden regenerar, lo que provoca necrosis y deterioro funcional. Los tratamientos tradicionales basados en implantes o trasplantes no han demostrado ser del todo exitosos, con múltiples efectos secundarios como inmunogenicidad o rechazos. Por ello, es muy importante desarrollar nuevas alternativas para tratar la degeneración muscular. La ingeniería tisular combina biomateriales, células y agentes bioactivos para desarrollar constructos biológicos biocompatibles donde las células encuentran un entorno que imita sus condiciones in vivo para crecer, proliferar y diferenciarse en tejido muscular y restaurar su funcionalidad. Los biomateriales conductores son de particular interés en tejidos electro-sensibles como es el caso del sistema musculoesquelético. Se ha demostrado que los polímeros conductores (polipirrol, polianilina, etc.), los materiales de carbono (grafeno, óxido de grafeno reducido, etc.) y los nanomateriales metálicos mejoran la diferenciación muscular, incluso sin estimulación eléctrica externa. Además, diferentes moléculas bioactivas como factores de crecimiento (FGF-2, IGF-1, etc.) o iones inorgánicos "terapéuticos" (zinc, magnesio, etc.) son alternativas para potenciar la diferenciación celular en diferentes tejidos. Por lo tanto, la combinación de biomateriales conductores y moléculas bioactivas para mejorar la regeneración muscular representa una gran oportunidad en la ingeniería de tejidos musculares. El objetivo de este proyecto de tesis es desarrollar y caracterizar nuevos biomateriales electroactivos con diferentes composiciones, estructuras y propiedades y evaluar su potencial para tratar la regeneración musculoesquelética, así como la combinación de estos biomateriales electroactivos con iones inorgánicos buscando descubrir nuevas sinergias biomateriales conductores-iones terapéuticos en términos de diferenciación muscular. ¿

[CA] El sistema musculoesquelètic té una capacitat de regeneració limitada. Les pèrdues importants de teixit no es poden regenerar, cosa que provoca necrosi i deteriorament de la funcionalitat. Els tractaments tradicionals basats en implants o trasplantaments no han demostrat ser del tot exitosos, amb múltiples efectes secundaris com ara immunogenicitat o rebutjos. Per això, és molt important desenvolupar noves alternatives per tractar la degeneració muscular. L'enginyeria tissular combina biomaterials, cèl·lules i agents bioactius per desenvolupar constructes biològics biocompatibles on les cèl·lules troben un entorn que imita les seves condicions in vivo per créixer, proliferar i diferenciar-se en teixit muscular i restaurar-ne la funcionalitat. Els biomaterials conductors són de particular interès en teixits electrosensibles com és el cas del sistema musculoesquelètic. S'ha demostrat que els polímers conductors (polipirrol, polianilina, etc.), els materials de carboni (grafè, òxid de grafè reduït, etc.) i els nanomaterials metàl·lics milloren la diferenciació muscular, fins i tot sense estimulació elèctrica externa. A més, diferents molècules bioactives com a factors de creixement (FGF-2, IGF-1, etc.) o ions inorgànics "terapèutics" (zinc, magnesi, etc.) són alternatives per potenciar la diferenciació cel·lular en diferents teixits. Per tant, la combinació de biomaterials conductors i molècules bioactives per millorar la regeneració muscular representa una gran oportunitat a l'enginyeria de teixits musculars. L'objectiu d'aquest projecte de tesi és desenvolupar i caracteritzar nous biomaterials electroactius amb diferents composicions, estructures i propietats i avaluar-ne el potencial per tractar la regeneració musculoesquelètica, així com la combinació d'aquests biomaterials electroactius amb ions inorgànics buscant descobrir noves sinergies biomaterials conductors-ions terapèutics en termes de diferenciació muscular.

[EN] The musculoskeletal system can self-regenerate in a limited way. Major tissue losses cannot be regenerated, resulting in necrosis and functional impairment. Traditional treatments based on implants or transplants have not proven to be completely successful, with multiple side effects such as immunogenicity or rejections. Therefore, it is very important to develop new alternatives to treat muscle degeneration. Tissue engineering combines biomaterials, cells and bioactive agents to develop biological and biocompatible constructs where cells find an in vivo likely environment to grow, proliferate and differentiate into muscle tissue and restore its functionality. Conductive biomaterials are of particular interest in electrosensitive tissues such as the musculoskeletal system. Conductive polymers (polypyrrole, polyaniline, etc.), carbon materials (graphene, reduced graphene oxide, etc.) and metal nanomaterials have proved to enhance cell differentiation, even without external electrical stimulation. Moreover, different bioactive molecules such as growth factors (FGF-2, IGF-1, etc.) or inorganic "therapeutic" ions (zinc, magnesium, etc.) are alternatives to enhance cell differentiation into different tissues. Therefore, the combination of conductive biomaterials and bioactive molecules to enhance muscle regeneration represents an exciting opportunity in muscle tissue engineering. This thesis project aims to develop and characterize novel electroactive biomaterials with different compositions, structures and properties and evaluate their potential to treat musculoskeletal regeneration, as well as its combination with inorganic ions looking forward to discovering new conductive biomaterial-therapeutic ions synergies in terms of muscle differentiation.