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Piezoelectric electrospun nanomaterials as a plataform for biological applications

2021-03-24Doctoral thesis Open access
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datacite.subject.fosCiências Naturais::Ciências Químicaspt_PT
datacite.subject.fosEngenharia e Tecnologia::Nanotecnologiapt_PT
dc.contributor.advisorPires, Pedro Filipe Duarte Louzeiro
dc.contributor.authorWei, Huang
dc.date.accessioned2021-05-14T08:59:35Z
dc.date.available2022-09-24T00:30:16Z
dc.date.issued2021-03-24
dc.description.abstractPiezoelectric materials as new smart biomaterials show great potential for biological applications. Specifically, piezoelectric polyvinylidene fluoride (PVDF) electrospun nanofibers, possess outstanding properties, which provide many advantages in various healthcare applications. We followed a systematic fabrication approach to create a new device for mechanical stimulation of cells, based upon the inverse piezoelectric effect from functionalized PVDF nanofibers, and tested it with different cell lines. The major contents in this thesis are presented as follows: (1) Fibers fabrication and characterization Multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) were blended with PVDF to fabricate highly aligned PVDF/MWCNTs piezoelectric nanofibers. In this part we investigated the PVDF/MWCNTs nanofibers’ properties, such as, morphology, alignment, crystal structure, mechanical properties, piezoelectric output voltage and cytotoxicity. (2) Biological applications of inverse piezoelectric stimulation To explore the effect of mechanical stimulation on cellular behavior, specifically, morphology, proliferation, migration and differentiation, we selected three cell line models: NIH3T3 cells as fibroblasts; PC12 cells as neuroblastic cells; mesenchymal stem cells. All cells were submitted to an inverse piezoelectric stimulation over 30 minutes per day, with 10 V amplitude at 5 Hz frequency driving signal. It was found that inverse piezoelectric stimulation with PVDF/MWCNTs nanofibers, not just improved the proliferation of NIH3T3 cells, but also efficiently guided the cells migration. In the part of neuroblastic cells investigation, the adhesion, proliferation and differentiation results of PC12 cells submitted to the inverse piezoelectric stimulation shown a great improvement. In the study of mesenchymal stem cells (MSCs), the inverse piezoelectric PVDF/MWCNTs nanofibers could not improve the adhesion and proliferation of MSCs in early stage, but it improved the osteogenic differentiation. Therefore, according to our results, we believe that inverse piezoelectric stimulation with aligned PVDF/MWCNTs nanofibers holds a great potential on wound healing, nerves regeneration and bone tissue engineering applications.pt_PT
dc.description.abstractOs materiais piezoelétricos apresentam um enorme potencial para aplicação como biomateriais inteligentes. As nanofibras de poli(fluoreto de vinilideno) [PVDF] piezoelétrico, possuem propriedades que as tornam vantajosas em várias aplicações biomédicas. Utilizámos uma abordagem sistemática para criar um dispositivo inovador, para a estimulação mecânica de células, baseado no efeito piezoelétrico inverso de nanofibras de PVDF funcionalizadas, e testámo-lo em diferentes linhas celulares. Apresenta-se em seguida o conteúdo principal desta tese: (1) Fabricação e caracterização das fibras Misturaram-se nanotubos de carbono de paredes múltiplas (MWCNTs) com PVDF, para produzir nanofibras com levado grau de alinhamento. Investigaram-se as propriedades das nanofibras de PVDF/MWCNTs, nomeadamente, a morfologia, alinhamento, estrutura cristalina, propriedades mecânicas, voltagem de saída e citotoxicidade. (2) Aplicações biológicas do efeito piezoelétrico inverso Para explorar os efeitos da estimulação mecânica no comportamento celular, especificamente, na morfologia, proliferação, migração e diferenciação, selecionámos três modelos de linhas celulares: células NIH3T3, como fibroblastos; células PC12, como modelo de células neuroblásticas; células estaminais mesenquimais. Todas as células foram submetidas a estimulação piezoelétrica inversa durante 30 minutos por dia, com um sinal de 10 V de amplitude e 5 Hz de frequência. Verificou-se que a estimulação piezoelétrica inversa com nanofibras de PVDF/MWCNTs, além de melhorar a proliferação de células NIH3T3, também se mostrou eficiente para conduzir a migração celular. No estudo de células neuroblásticas PC12 submetidas a estimulação piezoelétrica inversa, os resultados de adesão, proliferação e diferenciação mostraram um efeito positivo. No estudo de células estaminais mesenquimais (MSCs) a estimulação com nanofibras de PVDF/MWCNTs não melhorou a adesão e proliferação das MSCs, mas melhorou a diferenciação osteogénica. De acordo com os resultados obtidos, acreditamos que a estimulação piezoelétrica inversa com nanofibras de PVDF/MWCNTs, possui grande potencial para aplicações na cura de feridas, regeneração de nervos e aplicações de engenharia de tecido ósseo.pt_PT
dc.identifier.tid101667744pt_PT
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/10400.13/3400
dc.language.isoengpt_PT
dc.relationStrategic Project - UI 674 - 2014
dc.relationMadeira Chemistry Research Centre
dc.relationMadeira Chemistry Research Centre
dc.relationMadeira Chemistry Research Centre
dc.subjectElectrospinningpt_PT
dc.subjectPiezoelectricitypt_PT
dc.subjectNanofiberspt_PT
dc.subjectBiological applicationspt_PT
dc.subjectEletrofiaçãopt_PT
dc.subjectPiezoeletricidadept_PT
dc.subjectNanofibraspt_PT
dc.subjectAplicações biológicapt_PT
dc.subjectChemistry, speciality in Nanochemistrypt_PT
dc.subject.pt_PT
dc.subjectFaculdade de Ciências Exatas e da Engenhariapt_PT
dc.titlePiezoelectric electrospun nanomaterials as a plataform for biological applicationspt_PT
dc.typedoctoral thesis
dspace.entity.typePublication
oaire.awardTitleStrategic Project - UI 674 - 2014
oaire.awardTitleMadeira Chemistry Research Centre
oaire.awardTitleMadeira Chemistry Research Centre
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project.funder.nameFundação para a Ciência e a Tecnologia
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rcaap.rightsopenAccesspt_PT
rcaap.typedoctoralThesispt_PT
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thesis.degree.nameDoctorate in Chemistry, speciality in Nanochemistrypt_PT

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