Este trabalho visou estudar a integração de implantes de colágeno aniônico:elastina obtidos a partir de pericárdio bovino acelularizado e com densidade de carga negativa variável. As cargas negativas foram introduzidas na forma de grupos carboxílicos, por hidrólise seletiva e controlada de grupos carboxamidas de asparagina e glutamina contidos na estrutura primária da proteína. Foram estudados materiais hidrolisados por 24 e 48 horas de tratamento correspondendo, respectivamente, a 46 '+ OU -' e 87 '+ OU -' cargas negativas adicionais em relação ao colágeno nativo. Os implantes foram introduzidos no subcutâneo de rato por tempos de 14, 60, 120 e 180 dias. Os materiais foram caracterizados por análise térmica, microscopia eletrônica de varredura e de transmissão, e os explantes avaliados por microscopia de luz (colorações de Hematoxilina: Eosina, tricrômico de Masson e Verhoeff). O objetivo foi avaliar o uso de matrizes com colágeno modificado para a reconstrução de tecidos moles. Diferentemente do tecido nativo (pericárdio bovino), a resposta biológica de matrizes de colágeno:elastina polianiônica após 14 dias do implante foi caracterizada por uma progressiva redução na fibrose, porém mais importante, não foram observadas células características de resposta inflamatória crônica, particularmente nos materiais tratados quimicamente. Após 180 dias, a maioria dos implantes estavam integrados à região implantada. Tais resultados sugerem que matrizes acelulares de colágeno:elastina preparadas pela desvitalização de tecido natural podem ser suportes bastante úteis para a reconstrução de tecidos moles, devido ao seu elevado grau de biocompatibilidade e integração / This work studied the integration of acellular polyanionic collagen:elastin matrices derived of bovine pericardium (BP) with variable negative charge. Negative charges were introduced in the material by selective hydrolisis of carboxamide side chain groups from Asn and Gln present in the primary structure of the protein. Hydrolized materials after 24 and 48 hours of treatment, respectively with 46 '+ OU -' and 87 '+ OU -' extra negative charges, were studied. Implants were placed in the subcutaneous of rats for periods of 14, 60, 120 and 180 days. Materials were characterized by differential scanning calorimetry, SEM and TEM, and explants analysed by optical microscopy (H.E., Masson tricromic and Verhoeff stains). The purpose of this work was to evaluate the use of modified collagen matrices for soft tissue reconstruction. Differently from native tissue (BP), the biological response of polyanionic collagen:elastin matrices after 14 days from implantation was characterized by a progressive decrease in fibrosis, but most important, no characteristic cells of a chronic inflammatory response were observed. After 180 days, most of the implants were integrated to the implant region. The results suggest that acellular collagen:elastin matrices prepared by devitalization of natural tissue due to their high degree of biocompatibility and integration may be potentially useful as a scaffold for soft tissue reconstruction

Práce je zaměřena na výzkum nové struktury umožňující charakterizaci fyzikálních vlastností grafenu při přesně řízených podmínkách. Návrh spojuje MEMS piezoelektrický rezonátor spolu s Hall Bar/FET strukturou. Tento přístup umožňuje měnit vlastnosti grafenu odděleně nebo společně dvěma metodami. Mechanický způsob je založen na relativní deformaci způsobené rezonátorem, na kterém je umístěna grafenová monovrstva. Navrhovaná struktura umožňuje měřit vlastnosti grafenu vyvolané pouze změnou mechanického pnutí a frekvencí nucených kmitů bez vlivu vnějšího elektrického pole. Druhý přístup přidává možnost ovládat fyzikální vlastnosti grafenu pomocí elektrického pole FET struktury. Tato technika využívá grafenovou monovrstvu jako laditelný sensor pro molekulární detekci. Měření koncentrace v jednotkách ppb není konstrukčně ničím limitováno. Realizované frekvenčně laditelné piezoelektrické MEMS rezonátory s monovrstvou grafenu budou využitelné v mnoha oblastech pro detekci na molekulové úrovni. Výsledné struktury budou vyrobeny v souladu s požadavky na bio- a CMOS kompatibilitu.

Ziel der vorliegenden Arbeit war die biologische Charakterisierung neuartiger nanostrukturierter und für die Knochenregeneration geeigneter Calciumphosphatzemente (CPC). Hierzu wurde ein aus α-Tricalciumphosphat, Calciumhydrogenphosphat, gefälltem Hydroxylapatit und Calciumcarbonat bestehender CPC verwendet, der mit den Biomolekülen Cocarboxylase, Glucuronsäure, Weinsäure, Glucose-1-phosphat, Arginin, Lysin und Asparaginsäure-Natriumsalz modifiziert wurde. Ermittelt wurde dabei der Einfluss der Modifikationen auf die Proteinadsorption und die Biokompatibilität. In Vorversuchen wurden die Zementmodifikationen hinsichtlich ihrer Bindungskapazität für humane Serumproteine und für das knochenspezifische Protein Osteocalcin (OC) sowie hinsichtlich ihrer Eignung für die Adhäsion, Proliferation und osteogene Differenzierung von humanen fötalen Osteoblasten (hFOB 1.19) und humanen mesenchymalen Stammzellen (hMSC) untersucht. Dabei erwiesen sich die Modifikationen mit Cocarboxylase, Arginin und Asparaginsäure-Natriumsalz als besonders günstig. Mit diesen „Favoriten“ erfolgte eine detailliertere Analyse der Adsorption humaner und boviner Serumproteine sowie der knochen-spezifischen Proteine Osteocalcin, BMP-2 und VEGF. Dabei führte sowohl der Zusatz von Cocarboxylase, als auch der von Arginin und Asparaginsäure-Natriumsalz zu einer erhöhten Adsorption von Serumproteinen. Die Bindungsaffinität des Basiszements gegenüber Osteocalcin, BMP-2 und VEGF konnte durch Funktionalisierung mit Arginin gesteigert werden. Während die Modifizierung mit Cocarboxylase nur die VEGF-Adsorption förderte, bewirkte der Zusatz von Asparaginsäure-Natriumsalz eine Erhöhung der Osteocalcin- und BMP-2-Adsorption. Bedingt durch die größere spezifische Oberfläche der noch nicht abgebundenen Zemente, war die Menge adsorbierter Proteine auf frisch hergestellten Zementproben im Vergleich zu abgebundenen und ausgehärteten Zementen signifikant höher. Die Eignung der ausgewählten Zementvarianten als Knochenersatzmaterialien wurde mithilfe humaner mesenchymaler Stammzellen zweier verschiedener Spender getestet. Bei Verwendung abgebundener und ausgehärteter Zemente waren die hMSC in der Lage, auf allen Modifikationen zu adhärieren, zu proliferieren und in die osteogene Richtung zu differenzieren. Eine vorherige Inkubation der Zementproben mit humanem Serum förderte dabei vor allem die Zelladhäsion. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass hMSC im Gegensatz zu anderen Studien auch auf frisch hergestellten Zementproben adhärieren, proliferieren und differenzieren können. Die Modifizierung des Basiszements mit Cocarboxylase führte hierbei zu einer gegenüber den anderen Modifikationen signifikant erhöhten Zelladhäsion und -vitalität. Neben den verschieden modifizierten Pulver/Flüssigkeitszementen wurden im Rahmen dieser Arbeit neuartige ready-to-use Zementpasten untersucht. Diese zeigten allerdings im Vergleich zu den herkömmlichen Zementen eine geringere Proteinbindungsaffinität. HMSC, die auf den Pastenzementen kultiviert wurden, war es wiederum möglich zu adhärieren, zu proliferieren und den osteoblastenspezifischen Marker Alkalische Phosphatase zu exprimieren. Hinsichtlich ihrer Biokompatibilität sind sie damit vergleichbar zu den herkömmlichen Pulver/Flüssigkeitszementen.

Abstract der Posterpräsentation: Xerogele basierend auf Silikat und Kollagen wurden als lasttragendes Knochenersatzmaterial entwickelt. Das Materialkonzept [1] wurde durch den Zusatz verschiedener Calciumphosphate modifiziert. Das Ziel der Arbeit – die Bioaktivität der Komposite und somit das Zellverhalten zu beeinflussen – wird in Verbindung gesetzt zur derzeitigen kritischen Diskussion der Bioaktivität von Biomaterialien [2]. Die Xerogele wurden durch Nutzung eines Sol-Gel-Prozesses hergestellt, der durch die Änderung des pH-Wertes beim Mischen von Kieselsäure und einer Kollagenlösung initiiert wird. Hydroxylapatit (HAp), a-Tricalciumphosphat (TCP), Brushit und ein selbst entwickelter organisch modifizierter HAp wurden als Pulver sowie Ostim® als pastöse Komponente zur Kollagensuspension hinzugefügt. Die Xerogele wurden in Medien verschiedener Calciumkonzentrationen inkubiert. Die Charakterisierung erfolgte durch biochemische Methoden und Rasterelektronenmikroskopie. Der Einfluss der Xerogelbioaktivität auf die osteogene Differenzierung humaner mesenchymaler Stammzellen wurde biochemisch und durch konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie analysiert. Die Zugabe von HAp, Ostim® oder TCP führte zu einer beschleunigten Apatitabscheidung auf den Xerogelen aus simulierter Körperflüssigkeit ebenso wie aus Zellkulturmedium (a-MEM). Im Gegensatz dazu verursachen organisch modifizierter HAp oder Brushit eine initiale Calciumfreisetzung aus den Xerogelen. Diese Freisetzung kompensiert das bioaktive Verhalten in gewissem Maße, was durch die Einlagerung in Calcium-freiem a-MEM bestätigt wurde. Die gesteigerte Bioaktivität der Xerogele entspricht einem verringerten Calciumgehalt im Medium, der wiederum einen nachteiligen Effekt auf die Proliferation hat und zur Inhibierung der Matrixmineralisation führt.

Nowadays, exceptional advantages of silk fibroin over synthetic and natural polymers have impelled the scientists to application of this biomaterial for tissue engineering purposes. Recently, we showed that embedding natural degummed silk fibers in regenerated Bombyx mori silk-based scaffold significantly increases the mechanical stiffness, while the porosity of the scaffolds remains the same. In the present study, we evaluated degradation rate, biocompatibility and regenerative properties of the regenerated 2% and 4% wt silk-based composite scaffolds with or without embedded natural degummed silk fibers within 90 days in both athymic nude and wild-type C57BL/6 mice through subcutaneous implantation. In all scaffolds, a suitable interconnected porous structure for cell penetration was seen under scanning electron microscopy. Compressive tests revealed a functional relationship between fiber reinforcement and compressive modulus. In addition, the fiber/fibroin composite scaffolds support cell attachment and proliferation. On days 30 to 90 after subcutaneous implantation, the retrieved tissues were examined via gross morphology, histopathology, immunofluorescence staining and reverse transcription-polymerase chain reaction as shown in Figure 1. Results showed that embedding the silk fibers within the matrix enhances the biodegradability of the matrix resulting in replacement of the composite scaffolds with the fresh connective tissue. Fortification of the composites with degummed fibers not only regulates the degradation profile but also increases the mechanical performance of the scaffolds. This report also confirmed that pore size and structure play an important role in the degradation rate. In conclusion, the findings of the present study narrate key role of additional surface area in improving in vitro and in vivo biological properties of the scaffolds and suggest the potential ability of these fabricated composite scaffolds for connective tissue regeneration.

The main objective of this work was to manufacture and to characterize detonation nanodiamond (ND) coatings with high biocompatibility and high drug loading capability. This was achieved via the integration of functionalized NDs into standard coating systems. The examination of cell proliferation and cell differentiation supported the biological assessment of the ND-enhanced coatings. As a first step, an osteogenic peptide was covalently grafted onto oxidized NDs. Accordingly, carboxylic acid derivativ is were generated on the as-received ND surface via an optimized heat treatment. The osteogenic peptide was tethered to the oxidized ND surface using a carbodiimide crosslinking method. The multifaceted ND preparation and disaggregation facilitated the powder handling during the conjugation process. Moreover, antibiotics were physisorbed onto as-received NDs to add antimicrobial properties. The correlated surface loading of NDs was determined using various absorption spectroscopy methods such as fluorescence and ultraviolet-visible spectroscopy. Peptide-conjugated NDs and NDs with untreated surface chemistry have been immobilized on different biomaterials using liquid phase deposition techniques. Herein, polyelectrolyte multilayers (PEMs) were utilized, among others, due to their self-organization and universal applicability for numerous substrates. In order to assess the cell-material interactions, human fetal osteoblasts (hFOBs) were cultured. The hFOBs exhibited a high cell proliferation, high cell density, and sound cellular adhesion, which proves the high biocompatibility of PEMs containing NDs. The present study represents a novel and reliable strategy towards a public approved composite coating. The potential of NDs as a biocompatible delivery platform and as a coating material for biomaterials has been demonstrated. This technology will be useful for the development and optimization of next-generation drug delivery vehicles, e.g. drug-eluting coatings, as well as for biomaterials in general.:Abstract i Kurzfassung iii List of Figures v List of Tables vi Abbreviations vii 1 Introduction and Objectives 1 1.1 Scope of the Thesis 3 2 Fundamentals 9 2.1 Overview of Biomaterials 9 2.2 Surface Modification Techniques of Biomaterials 11 2.3 Cellular Response to Tailored Biomaterials 13 2.4 Essential Features of Detonation Nanodiamonds 15 2.4.1 Biomedical Applications 16 2.4.2 Chemical Functionalization Pathways 19 2.4.3 Colloidal Stability 21 3 Materials and Methods 25 3.1 Wet Chemical and High-temperature Oxidation of Detonation Nanodiamonds 26 3.2 Disaggregation of Detonation Nanodiamond Agglomerates 26 3.3 Grafting of Biomolecules onto Detonation Nanodiamonds 27 3.4 Macroscopic Surface Modification of Biomaterials 28 3.5 Characterization Techniques 30 3.5.1 Morphology 30 3.5.2 Colloidal Stability and ND Crystal Structure 30 3.5.3 ND Surface Chemistry and Surface Loading 31 3.5.4 Alkaline Phosphatase Activity of Human Mesenchymal Stem Cells 31 3.5.5 Cell Viability and Immunofluorescence Staining of Human Fetal Osteoblasts 32 4 Surface Modification of Detonation Nanodiamonds 35 4.1 Comparison of Wet Chemical and High-temperature Oxidation 35 4.1.1 Absorption Spectroscopy 35 4.1.2 Crystal Structure of Dry-oxidized NDs 37 4.2 Chemisorption of Bone Morphogenetic Protein-2 Derived Peptide 38 4.3 Physisorption of Amoxicillin 42 4.4 Conclusions 44 5 Coatings Exhibiting Detonation Nanodiamonds 47 5.1 Colloidal Stability of Aqueous ND Suspensions 47 5.1.1 ND Agglomerate Size and Zeta Potential Measurement 47 5.1.2 Influence of pH and Ion Concentration 50 5.2 Electrophoretic Deposition and Covalent Attachmen 51 5.3 Polyelectrolyte Multilayers 55 5.4 Conclusions 56 6 Biological Assessment of Detonation Nanodiamond Coatings 59 6.1 Alkaline Phosphatase Activity of Mesenchymal Stem Cells 59 6.2 Cellular Response of Osteoblasts 61 6.2.1 Cell Morphology 61 6.2.2 Cell Adhesion . 64 6.2.3 Cell Viability 66 6.3 Conclusions 68 7 Summary and Outlook 71 Acknowledgements 77 References 79 Appendix 109 List of Publications 113 / Das Hauptziel der Arbeit bestand in der Herstellung sowie der Charakterisierung von Beschichtungen aus Detonationsnanodiamanten (ND), welche eine hohe Biokompatibilität und eine hoheWirkstoffbeladbarkeit aufweisen sollten. Dieses Ziel wurde durch die Integration funktionalisierter ND in herkömmliche Beschichtungssysteme erreicht. Die biologische Beurteilung von den ND-verstärkten Beschichtungen wurde durch Untersuchungen der Zellproliferation und der Zelldifferenzierung untermauert. Im ersten Schritt wurde ein Peptid mit knochenbildenden Eigenschaften kovalent an oxidierte ND angebunden. Mittels einer optimierten Wärmebehandlung wurden Carbonsäurederivate auf der ND-Oberfläche erzeugt. Anschließend wurde das Peptid unter Verwendung eines Carbodiimid-Vernetzungsmittels an die oxidierte ND-Oberfläche angebunden. Während des Konjugationsprozesses erleichterte die facettenreiche ND-aufbereitung und -disaggregation die Pulverhandhabung. Außerdem wurden Antibiotika auf den ND adsorbiert, um antimikrobielle Eigenschaften zu erzeugen. Die entsprechende Oberflächenbeladung der ND wurde unter Verwendung verschiedener absorptionsspektroskopischer Ansätze wie Fluoreszenz- und UV/Vis-Spektroskopie bestimmt. Biofunktionale und unbehandelte ND wurden über Flüssigphasenabscheidung auf verschiedene Biomaterialien aufgebracht. Hierbei wurden unter anderem Polyelektrolyt-Mehrschichtsysteme aufgrund ihrer Selbstorganisation und universellen Anwendbarkeit auf zahlreiche Substrate eingesetzt. Um die Zellantwort auf die mehrschichtigen ND zu bewerten, wurden humane Osteoblasten (hFOB) kultiviert. Die hFOB zeigten eine hohe Zellproliferation, eine hohe Zelldichte und eine hohe Zelladhäsion, was die hohe Biokompatibilität von mehrschichtigen ND belegt. Die vorliegende Arbeit stellt eine neuartige und zuverlässige Strategie für eine allgemein anerkannte Verbundbeschichtung dar. Das Potenzial von ND als biokompatible Medikamententräger und als Beschichtungsmaterial für Biomaterialien konnte aufgezeigt werden. Die dargestellte Technologie kann für die Entwicklung und Optimierung von Medikamententrägern der nächsten Generation, z. B. in arzneimittelfreisetzenden Beschichtungen, sowie für Biomaterialien im Allgemeinen verwendet werden.:Abstract i Kurzfassung iii List of Figures v List of Tables vi Abbreviations vii 1 Introduction and Objectives 1 1.1 Scope of the Thesis 3 2 Fundamentals 9 2.1 Overview of Biomaterials 9 2.2 Surface Modification Techniques of Biomaterials 11 2.3 Cellular Response to Tailored Biomaterials 13 2.4 Essential Features of Detonation Nanodiamonds 15 2.4.1 Biomedical Applications 16 2.4.2 Chemical Functionalization Pathways 19 2.4.3 Colloidal Stability 21 3 Materials and Methods 25 3.1 Wet Chemical and High-temperature Oxidation of Detonation Nanodiamonds 26 3.2 Disaggregation of Detonation Nanodiamond Agglomerates 26 3.3 Grafting of Biomolecules onto Detonation Nanodiamonds 27 3.4 Macroscopic Surface Modification of Biomaterials 28 3.5 Characterization Techniques 30 3.5.1 Morphology 30 3.5.2 Colloidal Stability and ND Crystal Structure 30 3.5.3 ND Surface Chemistry and Surface Loading 31 3.5.4 Alkaline Phosphatase Activity of Human Mesenchymal Stem Cells 31 3.5.5 Cell Viability and Immunofluorescence Staining of Human Fetal Osteoblasts 32 4 Surface Modification of Detonation Nanodiamonds 35 4.1 Comparison of Wet Chemical and High-temperature Oxidation 35 4.1.1 Absorption Spectroscopy 35 4.1.2 Crystal Structure of Dry-oxidized NDs 37 4.2 Chemisorption of Bone Morphogenetic Protein-2 Derived Peptide 38 4.3 Physisorption of Amoxicillin 42 4.4 Conclusions 44 5 Coatings Exhibiting Detonation Nanodiamonds 47 5.1 Colloidal Stability of Aqueous ND Suspensions 47 5.1.1 ND Agglomerate Size and Zeta Potential Measurement 47 5.1.2 Influence of pH and Ion Concentration 50 5.2 Electrophoretic Deposition and Covalent Attachmen 51 5.3 Polyelectrolyte Multilayers 55 5.4 Conclusions 56 6 Biological Assessment of Detonation Nanodiamond Coatings 59 6.1 Alkaline Phosphatase Activity of Mesenchymal Stem Cells 59 6.2 Cellular Response of Osteoblasts 61 6.2.1 Cell Morphology 61 6.2.2 Cell Adhesion . 64 6.2.3 Cell Viability 66 6.3 Conclusions 68 7 Summary and Outlook 71 Acknowledgements 77 References 79 Appendix 109 List of Publications 113

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Cette thèse porte sur la conception d'hydrogels injectables pouvant être utilisés en chirurgie mini-invasive, par exemple en dissection endoscopique sous-muqueuse (ESD) ou en réparation de hernie.Les polyamidoamines (PAAm) constituent une classe d'hydrogel intéressante à ces fins. Après avoir étudié les différents facteurs qui affectent leurs propriétés, nous montrons qu'il est également possible d'obtenir des microgels à base de PAAm pour la délivrance de médicaments ou l'encapsulation de cellules. Il est possible de synthétiser des PAAm dégradables qui peuvent être injectés dans la sous-muqueuse de l'estomac pour la ESD.Nous avons montré que les hydrogels hybrides alginate / PAAm peuvent être utilisés pour le traitement percutané de la hernie inguinale directe et des crèmes à base d'hydrogel ont été préparées pour être utilisées pour le colmatage des fistules. Le dernier chapitre de la thèse est consacré à la réticulation de l'acide hyaluronique pour la chirurgie esthétique. / This thesis deals with the design of injectable hydrogels that can be used in minimally invasive surgery, such as endoscopic submucosal dissection (ESD), percutaneous hernia repair or fistulas closure.Polyamidoamines (PAAm) constitute a class of hydrogel of special interest for these purposes. After studying the different factors that affect their properties, we show that it is also possible to obtain PAAM-based microgels for applications in drug delivery or cell encapsulation.It is possible to synthesize redox-responsive nanocomposite degradable PAAm that can be injected into the submucosa of the stomach to facilitate the ESD.We show that hybrid alginate/PAAm hydrogels can be used for the percutaneous treatment of direct inguinal hernia and hydrogel-based creams have been prepared for use in fistulas closure. The last chapter of the thesis is devoted to the development of a new crosslinking strategy for hyaluronic acid in cosmetic surgery.

Tesis por compendio / [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. / Gracias a la financiación del Ministerio de Ciencia e Innovación, a la Agencia Estatal de Investigación y a los fondos FEDER por la financiación del proyecto RTI2018- 097862-B-C21 que ha permitido llevar a cabo esta tesis doctoral. / Aparicio Collado, JL. (2023). Development of Novel Biomimetic Electroactive Environments with Bioactive Molecules for Musculoskeletal Regeneration [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/195233 / Compendio

This dissertation is devoted to the development of novel devices for optoelectronic and photovoltaic applications using the promise of inkjet printing with two-dimensional (2D) materials. A systematic approach toward the characterization of the liquid exfoliated 2D inks comprising of graphene, molybdenum disulfide (MoS2), tungsten diselenide (WSe2), and 2D perovskites is discussed at depth. In the first study, the biocompatibility of 2D materials -- graphene and MoS2 -- that were drop cast onto flexible PET and polyimide substrates using mouse embryonic fibroblast (STO) and human esophageal fibroblast (HEF) cell lines, was explored. The polyimide samples for both STO and HEF showed high biocompatibility with a cell survival rate of up to ~ 98% and a confluence rate of 70-98%. An inkjet printed, biocompatible, heterostructure photodetector was constructed using inks of photo-active MoS2 and electrically conducting graphene, which facilitated charge collection of the photocarriers. The importance of such devices stems from their potential utility in age-related-macular degeneration (AMD), which is a condition where the photosensitive retinal tissue degrades with aging, eventually compromising vision. The biocompatible inkjet printed 2D heterojunction devices were photoresponsive to broadband incoming radiation in the visible regime, and the photocurrent scaled proportionally with the incident light intensity, exhibiting a photoresponsivity R ~ 0.30 A/W. Strain-dependent measurements were also conducted with bending, that showed Iph ~ 1.16 µA with strain levels for curvature up to ~ 0.262 cm-1, indicating the feasibility of such devices for large format arrays printed on flexible substrates. Alongside the optoelectronic measurements, temperature-dependent (~ 80 K to 573 K) frequency shifts of the Raman-active E12g and A1g modes of multilayer MoS2 exhibited a red-shift with increasing temperature, where the temperature coefficients for the E12g and A1g modes were determined to be ~ - 0.016 cm-1/K and ~ - 0.014 cm-1/K, respectively. The phonon lifetime τ was determined to be in the picosecond range for the E12g and A1g modes, respectively, for the liquid exfoliated multilayer MoS2. Secondly, an all inkjet printed WSe2-graphene hetero-structure photodetector on flexible polyimide substrates is also studied, where the device performance was found to be superior compared to the MoS2-graphene photodetector. The printed photodetector was photo responsive to broadband incoming radiation in the visible regime, where the photo responsivity R ~ 0.7 A/W and conductivity σ ~ 2.3 × 10-1 S/m were achieved at room temperature. Thirdly, the synthesis of solution-processed 2D layered organo-halide (CH3(CH2)3NH3)2(CH3NH3)n-1PbnI3n+1 (n = 2, 3, and 4) perovskites is presented here, where inkjet printing was used to fabricate heterostructure flexible photodetector devices on polyimide substrates. The ON/OFF ratio was determined to be high, ~ 2.3 × 103 while the photoresponse time on the rising and falling edges was measured to be rise ~ 24 ms and fall ~ 65 ms, respectively. The strain-dependent measurements, conducted here for the first time for inkjet printed perovskite photodetectors, revealed the Ip decreased by only ~ 27% with bending (radius of curvature of ~ 0.262 cm-1). This work demonstrates the tremendous potential of the inkjet printed, composition tunable, organo-halide 2D perovskite heterostructures for high-performance photodetectors, where the techniques are readily translatable toward flexible solar cell platforms as well. Fourthly, metal contacts and carrier transport in 2D (CH3(CH2)3NH3)2(CH3NH3)n-1PbnI3n+1 (n = 4) perovskites is a critical topic, where the use of silver (Ag) and graphene (Gr) inks as metallic contacts to 2D perovskites was investigated. The all inkjet printed Gr-perovskite and Ag-perovskite photodetectors were found to be photo-responsive to broadband incoming radiation where measurements were conducted from λ ~ 400 nm to 2300 nm. The photoresponsivity R and detectivity D were compared between the Gr-perovskite and Ag-perovskite photodetectors, which revealed the higher performance for the Ag-perovskite photodetector. The superior performance of the Ag-perovskite photodetector was also justified with the Schottky barrier analysis using the thermionic emission model through temperature-dependent transport measurements. Finally, this dissertation ends with the description of the first steps for using solution-processed, inkjet printed perovskites for solar cells. The preliminary investigations include the discussion of the chemical formulations for the carrier separation layers, dispersion route, and the variation of solar cell figures of merit with processing.