Oliveira, Ana Leite de Almeida Monteiro deFreitas, Filipa Juliana Fernandes CastroRocha, Fernando Alberto Nogueira daVeiga, Anabela Alves2024-11-082024-06-072024-02http://hdl.handle.net/10400.14/47157Skin tissue engineering (TE) is an interdisciplinary field dedicated to the development of functional constructs that can be used to re-establish, maintain, or improve the condition of injured tissue or to mimic healthy tissue. The skin-TE market is experiencing significant growth: according to Future Market Insights, a leading provider of custom and syndicated market research reports, in 2021 the global market was valued at 2.01 billion dollars and is expected to reach 4.13 billion by 2029 at an annual growth rate of 9.6%. The improvement of healthcare practices, the high technological advances, and the awareness of the need for patient-specific treatment options are some of the main market-boosting factors. The response of the scientific community to the quest for skin TE products translates into a creative landscape of multilevel and cutting-edge approaches, specific to different needs. These include 1- dimensional (1D) particles: for superficial wounds or to further incorporate in 3D matrices to improve their biological or mechanical properties; 2D gels: that can promote healing and prevent infections of superficial wounds and serve as building blocks for constructing more complex structures; and 3D constructs, namely: 3D hydrogels or 3D bioprinted structures to promote wound healing and hybrid 3D hydrogel/scaffold constructs to develop in vitro skin models. Particulate systems are characterized by a high surface area-to-volume ratio which enhances the probability of penetration and bio-interaction at the wound area. With the right particle composition, it is possible to stimulate proliferation and cell-to-cell signaling. Among these, calcium-based particles can play an important role in the healing and regeneration of skin. Calcium is essential in regulating many skin functions, including keratinocyte differentiation, skin barrier formation, and permeability barrier homeostasis. In this context, calcium phosphates (CaPs) are the most well-established source of calcium in biomedicine. They can be precipitated in mild conditions, allowing for conjugation with different molecules and polymers of interest to create bioactive hybrid formulations. CaPs and CaP/composite particles are commonly synthesized in stirred batch reactors with low micro-mixing efficiency, resulting in heterogeneous materials with a broad range of physicochemical characteristics. In that regard, oscillatory flow mixing has emerged as an alternative technology to operate under continuous mode, allowing a uniform distribution of the reaction parameters such as concentration and temperature, and leading to a product with more uniform characteristics. In this work, new CaP-based nanoparticles have been produced in continuous mode using an innovative modular oscillatory flow plate reactor (MOFPR), which allowed to obtain highly controlled and homogeneous particles with high production rates. Sericin (SS), a silk water-soluble protein with high regenerative potential and still underexplored for biomedical applications, has been co-precipitated with CaP to create new bioactive hybrid systems for tissue wound healing and regeneration. When faced with more complex needs, multi-dimensional structures can more accurately replicate the architecture and microenvironment of native tissues. In that regard, SS and silk fibroin (SF) are natural polymers that display excellent biocompatibility, versatility, and tunable properties, which outperform many natural and synthetic biomaterials. While SF has been extensively characterized in the literature, there are still several gaps in our understanding of SS. The absence of efficient extraction protocols for obtaining a “ready-to-use” SS raw material with preserved intrinsic characteristics has motivated the quest for developing a new standardized processing methodology to lay the foundation for creating 2D gels and 3D constructs including 1) crosslinked hydrogels as platforms for different skin-TE applications, 2) human skin equivalents (HSE) functionalized with CaP-based particles and 3) a bioprinted structure in which SS was used as a bioink that can produce patient-specific materials.A engenharia de tecidos é uma área interdisciplinar dedicada ao desenvolvimento de materiais funcionais que podem ser utilizados para regenerar, manter ou melhorar tecidos biológicos. De acordo com a Future Market Insights, líder de relatórios de investigação de mercado personalizado, o mercado da engenharia de tecidos está a registar um crescimento significativo tendo sido avaliado em 2,01 mil milhões de dólares em 2021 com perspectivas de atingir 13 mil milhões até 2029, a uma taxa de crescimento anual de 9,6%. A melhoria das práticas nos cuidados de saúde, os avanços tecnológicos e a sensibilização para a necessidade de opções de tratamento específicas para cada paciente são alguns dos principais factores que impulsionam o mercado. Como resposta à necessidade de materiais para reparar ou biomimetizar a pele, a comunidade académica e ciêntífica é caracterizada por um ecossistema inovador em constante evolução que se foca no desenvolvimento de diferentes abordagens de vanguarda para responder às diferentes necessidades existentes. Estas abordagens incluem partículas unidimensionais (1D) para feridas superficiais ou para posterior incorporação em matrizes 3D, com o objetivo de melhorar as suas propriedades biológicas ou mecânicas; géis e filmes 2D que podem ser utilizados para promover a cicatrização e prevenir infeções de feridas superficiais, assim como para servir de base para o desenvolvimento de estruturas mais elaboradas; e estruturas 3D, nomeadamente géis ou estruturas bioimpressas para promover a cicatrização de feridas e estruturas 3D mais complexas para estabelecer modelos de pele in vitro. Os sistemas particulados são caracterizados por um elevado rácio área de superfície/volume, o que aumenta a probabilidade de penetração e bio-interação na área da ferida. Com a correta composição das partículas, é possível estimular a proliferação e a sinalização célula a célula. Neste contexto, as partículas à base de cálcio podem desempenhar um papel importante na cicatrização e regeneração da pele. O cálcio é essencial na regulação de muitas funções da pele, incluindo a diferenciação dos queratinócitos, a formação da barreira cutânea da pele, e a promoção da sua homeostase. Os fosfatos de cálcio são a fonte de cálcio mais bem estabelecida em engenharia biomédica e apresentam-se como compostos promissores para aplicações em regeneração de pele. Estes materiais inorgânicos podem ser precipitados em condições de reação moderadas, permitindo a conjugação com diferentes moléculas e polímeros de interesse para criar formulações híbridas bioativas. São normalmente sintetizados em reatores de tanque agitado com baixa eficiência de micro-mistura, resultando em materiais heterogéneos com uma vasta gama de características físico-químicas. Neste contexto, a mistura de fluxo oscilatório surge como uma tecnologia alternativa para operar em modo contínuo, permitindo condições experimentais estáveis, como a concentração, pH e a temperatura, e conduzindo a um produto com características mais uniformes e controladas. Neste trabalho, foram produzidas nanopartículas inovadoras à base de fosfatos de cálcio em modo contínuo utilizando um reator modular inovador de fluxo oscilatório. A utilização deste reator permitiu a obtenção de partículas altamente controladas e homogéneas com taxas de produção elevadas. Para além disso, sericina, uma proteína da seda solúvel em água com elevado potencial regenerativo e ainda pouco explorada para aplicações biomédicas, foi co-precipitada com fosfatos de cálcio para criar novos sistemas híbridos bioactivos para a cicatrização e regeneração de feridas tecidulares. Em resposta a necessidades mais complexas, estruturas multidimensionais podem reproduzir com maior precisão a arquitetura e o microambiente dos tecidos nativos. Nesse sentido, a sericina e a fibroína da seda são polímeros naturais que apresentam uma excelente biocompatibilidade, versatilidade e facilidade de processamento que superam muitos biomateriais naturais e sintéticos. No entanto, embora a fibroína da seda esteja extensamente caracterizada e validada na literatura, no caso da sericina existe ainda pouca informação sobre o seu potencial biomédico A ausência de protocolos de extração eficientes para a obtenção de sericina como matéria-prima "pronta a usar", com propriedades preservadas, motivou o desenvolvimento de uma abordagem a diferentes níveis de complexidade para estabelecer as bases para a criação de géis 2D e estruturas 3D, incluindo 1) hidrogéis reticulados para a criação de novas plataformas para diferentes aplicações em engenharia de tecidos, 2) equivalentes de pele humana funcionalizados com partículas à base de fosfatos de cálcio e 3) estruturas bioimpressas utilizando pela primeira vez sericina reticulada enzimaticamente como bioink para produzir estruturas de suporte que poderão ser específicas para cada paciente.engBioprintingCalcium phosphatesHuman skin equivalentsHydrogelsOscillatory flow reactorsSilk fibroinSilk sericinSkinTissue engineeringBioimpressãoEngenharia de tecidos da peleEquivalentes de pele humanaFibroína de sedaFosfatos de cálcioHidrogéisReatores de fluxo oscilatórioSericina de sedadoctoral thesis101770367