Analysis of cellular responses to the properties of electrospun polymer fibers and scaffolds for bone tissue engineering applications

Abstract

W inżynierii tkankowej regeneracja tkanki kostnej wymaga rusztowań naśladujących macierz zewnątrzkomórkową i dostarczających bodźców kierujących aktywnością osteoblastów. Niniejsza rozprawa bada, jak projektować elektroprzędzone rusztowania polimerowe, aby kontrolować właściwości powierzchni włókien i regulować interakcje komórek kostnych. Zrealizowano trzy cele. Po pierwsze, ustalono, jak biegunowość napięcia podczas elektroprzędzenia determinuje potencjał powierzchniowy i odpowiedź piezoelektryczną włókien PLLA oraz ich wpływ na adhezję, proliferację i produkcję kolagenu przez osteoblasty. Po drugie, zbadano, jak mieszanie polimerów we włóknach rdzeń-powłoka PC-PMMA kształtuje potencjał powierzchniowy, chemię, zwilżalność i właściwości mechaniczne, analizując odpowiedź osteoblastów na poziomie pojedynczej komórki i włókna. Po trzecie, porównano nanomateriały 2D (rGO i MXene) jako dodatki kompozytowe w włóknach PLLA, określając ich wpływ na ładunek powierzchniowy i właściwości mechaniczne. Do charakterystyki zastosowano KPFM, pomiary potencjału zeta, XPS, CLSM i SEM. Wyniki pokazują, że rusztowania można precyzyjnie modyfikować poprzez parametry procesu, design włókien i wprowadzanie funkcjonalnych cząsteczek. Rozprawa przedstawia ramy projektowania elektroprzędzonych rusztowań dostosowanych do określonych odpowiedzi komórkowych. In tissue engineering, bone regeneration requires scaffolds that mimic the extracellular matrix and provide stimuli directing osteoblast activity. This dissertation investigates how to design electrospun polymer scaffolds to control fiber surface properties and regulate bone cell interactions. Three objectives were pursued. First, the study established how voltage polarity during electrospinning determines surface potential and piezoelectric response of PLLA fibers, and their effects on osteoblast adhesion, proliferation, and collagen production. Second, it examined how polymer blending in core-shell PC-PMMA fibers shapes surface potential, chemistry, wettability, and mechanical properties, analyzing osteoblast response at single-cell and single-fiber levels. Third, 2D nanomaterials (rGO and MXene) were compared as composite additives in PLLA fibers, determining their influence on surface charge and mechanical properties. Characterization Employed KPFM, zeta potential measurements, XPS, CLSM, and SEM. Results demonstrate that scaffolds can be precisely modified through process parameters, fiber design, and functional particle incorporation. This dissertation provides a framework for designing electrospun scaffolds tailored to specific cellular responses.