Printable Cell Growth Platform for the Assessment of Biomaterial-cell Interactions : A Focus on Patterns and Mineral Pigments

Abstract

Cell-decision making is a highly complex and tightly regulated process that depends on the extracellular environment. In their native conditions, cells sense the immediate surroundings and collect cues from the fluid environment and the extracellular matrix, including surface properties such as roughness, porosity, topography, and chemistry, in order to determine their fate. In contrast, researchers traditionally culture cells on flat plastic surfaces that lack most, if not all, of the extracellular cues. As a result, a large gap and inconsistency exist between laboratory results and clinical translation, often leading to costly failures and delayed therapeutics. Alternatively, animal models are used to predict human response; however, no animal is biologically identical to a human. Surface engineering provides an invaluable opportunity to elucidate mechanistic insights behind cell behaviour and disease progression by replicating already at the in vitro stage the physiological and pathological environments of humans. The first step of this ambitious vision is to expand the traditional cell culture platforms to a device suitable for surface engineering approaches. This thesis proposes a printable cell culture platform compatible with most large-scale fabrication and surface modification techniques. The approach encourages the use of numerous state-of-the-art technologies available through functional coating and printing, while remaining accessible to conventional biological assessment and imaging techniques. In addition, the presented printable cell culture platform is a low-cost and simple device, widely available to researchers who have access to a desktop cutter and a hydrophobic printer. Platform compatibility with coating and printing technologies is a useful element within the future of cell biology. It promotes an interdisciplinary integration of advances in surface modification and biomaterials to regulate and control cell behaviour in vitro, while ensuring translation to mass production. As a proof-of-concept, the printable cell culture platform was used in this thesis to assess wax printing as a tool for contact guidance and mineral-fibroblast interactions. Wax printing was effective for the low-resolution contact guidance of fibroblasts; and when coupled with laser ablation, patterns of high-resolution (down to 10 μm) were achieved. However, high-resolution patterning requires further optimisation as cell preference over the surface was inconsistent throughout the preliminary trials. In the case of mineral-fibroblast interactions, the platform enabled the assessment of direct and indirect interactions due to its sandwich-like structure. Mineral pigments are highly versatile materials used in materials and biomedical sciences to modify and control the physicochemical properties of surfaces among other applications; thus, minerals have the potential to aid in the overall biomimicry of the cellular environment. The study of the same minerals throughout different experimental settings highlights the restrictions of commonly used platforms and the importance of extensive evaluations through novel approaches when dealing with biomaterials. Furthermore, minerals were used in papermaking to successfully create a 3D environment for cancer cell growth within the printable cell culture platform. Future studies should focus on improvements in the overall configuration of the printable cell culture platform. The inclusion of microfluidics and a 3D printed case would already greatly improve the ease of use of the platform. In addition, functional printed sensors can be added for electrochemical stimulation, detection, and monitoring during cell culture. From a research perspective, there are three major opportunities to be exploited in the printable cell culture platform: (a) co-culture environments, (b) time-dependent release of drug-loaded porous biomaterial coatings, and (c) papermaking for cell culture. This thesis already explores briefly papermaking for cell culture and its advantage to control the cellular environment in paper-based 3D cancer models. Ultimately, the goal is to enhance the in vitro assessment of biomaterials by replicating physiological conditions through a simple approach, which remains compatible both with laboratory studies and industrial-scale production. Such a goal will bring research a step closer to understanding the intrinsic yet convoluted interplay among biological interactions.

Alla de beslut som celler dagligen gör, allt från celldelning till apoptos, är processer som är mycket komplexa och extremt noggrant reglerade. För att göra de optimala besluten, utnyttjar cellerna signaler från den extracellulära miljön, så som miljöns styvhet, porositet, topografi och kemi. Trots att celler är så beroende av den extracellulära miljön, odlas de av forskare traditionellt på plana plastytor som saknar de flesta, om inte alla, extracellulära signaler. De stora skillnaderna mellan klassisk 2D in vitro cellodling och hur celler fungerar in vivo har lett till många dyra och misslyckade kliniska försök. Ett alternativt för att förbättra laboratoriestudier är genom att man använder djurmodeller för att förutspå den mänskliga responsen, dock är inget djur biologiskt identiskt med människan och flera problem kvarstår. För att mera efterlikna fysiologiska och patologiska miljöer hos en människa, borde cellernas odlingsyta in vitro justeras enligt behov, vilket skulle ge en mera korrekt insyn i hur cellernas cellsignalering och mekanistiska processer påverkas av den extracellulära miljön. Det första steget för att förverkliga denna ambitiösa vision är att förändra de traditionella cellodlingsplattformarna till sådana som mera efterliknar cellens in vivo extracellul ära miljö. Denna avhandling beskriver en tryckbar cellodlingsplattform som är kompatibel med de flesta storskaliga tillverknings- och ytmodifieringstekniker. Metoden möjliggör användningen av funktionella beläggnings- och trycktekniker, samtidigt som den förblir tillgänglig för konventionella biologiska bedömnings- och avbildningstekniker. Dessutom är den presenterade tryckbara cellodlingsplattformen billig och enkel att använda; den är allmänt tillgänglig för forskare som har tillgång till skrivbordsskärare och en hydrofobisk printer. Plattformskompatibilitet med beläggnings- och trycktekniker är en nyckelfaktor inom cellbiologins framtid. Plattformskompabilitet gynnar den tvärvetenskapliga integrationen av framsteg inom ytmodifiering och biomaterial för att reglera och kontrollera cellbeteende in vitro, samtidigt som det säkerställer möjlighet till massproduktion. För att bevisa hypotesen har jag i denna avhandling valt vaxtryckning som ett verktyg för att studera cellvägledning och interaktioner mellan mineraler och fibroblaster. Vaxtryckning visade sig vara effektiv för cellvägledning och uppnådde cellodlingsmönster med storleken 50 μm, men i kombination med laserablation uppnåddes mönster med ännu högre upplösning (ned till 10 μm). Tack vare plattformens sandwichliknande struktur kunde både direkta och indirekta interaktioner mellan mineraler och fibroblaster studeras. Mineralpigment är mycket mångsidiga material som används inom olika vetenskaper för att modifiera och kontrollera de fysikalisk-kemiska egenskaperna hos ytor. Mineraler har potentialen att hjälpa till i den övergripande biomimiken av den cellulära miljön. Genom att studera samma mineraler i olika experimentella förhållanden med den tryckbara cellodlingsplattformen, kunde begräsningarna hos vanliga cellodlingsplattformar belysas. Resultaten kan variera drastiskt beroende på experimentuppsättningen, vilket gör det viktigt att utföra omfattande utvärderingar när biomaterials biokompabilitet studeras. Därutöver användes mineraler inom papperstillverkning för att framgångsrikt skapa en 3D-miljö för cancercelltillväxt inuti den tryckbara cellodlingsplattformen. Framtida studier bör fokusera på förbåttringar av den övergripande sammanställningen av den tryckbara cellodlingsplattformen. Cellodlingsplattformen kunde även avsevärt förbättras genom införandet av mikrofluidik och ett 3Dutskrivet fodral. Dessutom kunde funktionellt tryckta sensorer läggas till för elektrokemisk stimulering, detektion och övervakning under cellodlingen. Ur ett forskningsperspektiv finns det tre stora möjligheter där den tryckbara cellodlingsplattformen kunde utnyttjas: (a) samodlingsmiljöer, (b) tidsberoendefrisättning av läkemedelsladdade porösa biomaterialbeläggningar och (c) papperstillverkning för cellkultur. Denna avhandling utforskar kortfattat papperstillverkning för cellodling och den kontroll den ger över cellens extracellulära miljö i pappersbaserade 3D-cancermodeller. I slutändan är målet att förbättra in vitro-bedömningen av biomaterial genom att imitera fysiologiska förhållanden genom ett enkelt tillvägagångssätt, som är kompatibelt både med laboratoriestudier och produktion i industriell skala. Den här avhandlingen kommer att föra forskningen ett steg närmare förståelsen för det invecklade samspelet mellan biologiska interaktioner.