Cell-mediated self-assembly of colloidal scaffolds
| Autor(a) principal: | |
|---|---|
| Data de Publicação: | 2018 |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| Idioma: | eng |
| Título da fonte: | Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
| Texto Completo: | http://hdl.handle.net/10451/35509 |
Resumo: | Tese de mestrado em Física, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, em 2018 |
| id |
RCAP_bc714c6394262a42481b7280de8983ed |
|---|---|
| oai_identifier_str |
oai:repositorio.ul.pt:10451/35509 |
| network_acronym_str |
RCAP |
| network_name_str |
Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
| repository_id_str |
7160 |
| spelling |
Cell-mediated self-assembly of colloidal scaffoldsAgregação mediada por linkersDinâmica celularColóides patchyAuto-organizaçãoArmaçõesTeses de mestrado - 2018Domínio/Área Científica::Ciências Naturais::Ciências FísicasTese de mestrado em Física, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, em 2018Técnicas para a formação de tecido artificial muitas vezes fazem uso de uma estrutura sólida (conhecida como armação) que funciona como um substituto temporário para a matriz extracelular, e facilita o crescimento espontâneo de tecido. Várias restrições são impostas sobre as armações, entre elas biocompatibilidade, biodegradabilidade e porosidade e resistência mecânica adequadas. Comumente, estas armações são produzidas usando impressoras 3D, uma técnica que é incapaz de satisfazer a procura crescente de tecidos artificiais. A necessidade de impressão da armação fora do corpo tem associada problemas técnicos referentes à biocompatibilidade, assim como problemas económicos devido à necessidade de uma cirurgia. Uma técnica recentemente proposta consiste numa solução injectável de partículas coloidais que se auto-organizam para formar a armação desejada in situ, não sendo necessária uma intervenção médica invasiva. A superfície das partículas coloidais é biofuncionalizada com anticorpos que interagem selectivamente com as células que formam o tecido desejado. Células servem então de mediador das ligações entre partículas, que se agregam para formar a armação. As células mediadoras depois proliferam e formam o tecido usando a armação como âncora. Como as ligações entre células e partículas são efectivamente irreversíveis, o balanço detalhado não é alcançado e o formalismo da física estatística de equilíbrio é incapaz de descrever adequadamente o problema. Novos modelos e técnicas foram desenvolvidos de maneira a capturar a física, que é sensível à dinâmica tanto individual como coletiva. Neste trabalho, aumentou-se a complexidade dos modelos gradualmente, permitindo o estudo detalhado do efeito de cada contribuição através de um modelo de partículas com valência limitada (patchy). Numa primeira abordagem escreveu-se um sistema de equações de balanço para estudar a dinâmica das células na presença e ausência da adesão natural entre células. Definiu-se uma probabilidade de ligação entre patches e uma distribuição do número de ligações, ambas estudadas analiticamente e numericamente. No caso da ausência de ligações entre células, foi possível resolver as equações analiticamente para um intervalo de parâmetros e uma aproximação foi desenvolvida que recupera as soluções para outro intervalo. No caso da presença de ligações entre células, estudou-se também a dinâmica de agregados de células. Em ambos os casos, foi descoberto que o número de células por partícula é crucial para a dinâmica, limitando o número de ligações através do defeito ou excesso de células. Encontrou-se um valor ótimo para o número de células por partícula que maximiza a probabilidade de ligaço quando as ligações entre células estão ausentes. Como é preciso um patch com célula e outro sem célula, este valor ótimo é tal que o número de células é metade do número de patches. Encontrou-se também que a razão entre os coeficientes de difusão de células e partículas controla a competição entre células com uma ou nenhuma ligação pelos patches livres, servindo como parâmetro de controlo para a probabilidade assimtótica de ligação. O coeficiente de difusão das partículas é função do seu tamanho e pode então ser ajustado para obter a armação desejada. Comparando os dois modelos, descobriu-se que o modelo sem ligações entre células resulta em armações maiores e mais interligadas que se auto-organizam em menos tempo. Este resultado não só tem interesse do ponto do vista teórico como permite experimentalmente produzir armações mais eficazes e menos prováveis de sofrer influências indesejadas pela bioatividade do meio envolvente. Finalmente, aplicou-se percolação de campo médio para obter o intervalo de parâmetros no qual a armação forma um gel. Estudaram-se os efeitos das correlações espaciais entre agregados através de um modelo de rede que foi resolvido numericamente, usando-se uma variante de kinetic Monte Carlo com rejeições. Esta técnica baseia-se na listagem de eventos possíveis (difusão para vizinhos) e seleciona a partícula/célula que difunde com uma probabilidade proporcional à taxa de difusão de partículas/células (fixada no início da simulação e proporcional ao coeficiente de difusão). No modelo de rede, os agregados são árvores e pontuais; o tamanho dos agregados é contabilizado através de duas probabilidades de ligação. Estudou-se em detalhe o efeito da difusividade dos agregados. O limite onde o tamanho de um agregado não tem efeito sobre a sua difusividade mostra forte dependência no número de células por partícula. Três regimes foram identificados tendo em conta o seu estado assimtótico; num deles, todas as partículas formam um único agregado. Este resultado é importante para os experimentalistas pois é necessário uma armação macroscópica para se formar um tecido saudável. Um cálculo simples recupera esta partição do espaço de parâmetros usando apenas a condição de agregados serem árvores. Nos outros dois regimes, encontrou-se a forma funcional da distribuição de tamanhos dos agregados, mostrando que ela tem uma cauda exponencial e portanto um tamanho médio bem-definido. Estudou-se também o efeito da razão entre os coeficientes de difusão de células e partículas, onde se verificou que controla o estado assimtótico para um dos regimes apenas. O limite onde a difusão de agregados ocorre numa escala de tempo muito mais lenta que a de partículas e células mostra fenomenologia distinta. No limite onde células difundem muito mais rapidamente que partículas, o estado assimtótico mostra um tamanho médio de agregados com forma bimodal, com dois valores ótimos do número de células por partícula não-triviais, precedido por um estado transiente com apenas um valor ótimo (correspondente ao descoberto anteriormente). Estes valores ótimos correspondem às fronteiras do intervalo do número de células por partícula em que não há partículas livres no estado assimtótico. Definiu-se a distribuição de patches com célula dos monómeros e comprovou-se que era uma binomial. Como é necessário um patch com célula e um sem célula para se formar uma ligação, partículas sem patches com células não pode formar ligações com outras partículas com nenhum patch com célula. O mesmo com partículas com nenhum patch sem célula. A impossibilidade destas ligações leva aos máximos encontrados. Um modelo simples de campo médio reproduz a posição e altura dos máximos sem qualquer parâmetro de ajuste. Um segundo modelo de rede foi proposto e implementado com a técnica kinetic Monte Carlo. Neste modelo, cada partícula ocupa um lugar de rede, permitindo o estudo do efeito da forma dos agregados. Apenas se estudou o limite dos agregados muito mais lentos que partículas. Encontrou-se a mesma forma bimodal (com um ligeiro desvio em relação ao modelo descrito anteriormente), o que permitiu concluir que a forma não é relevante para o mecanismo proposto. Tomando o limite inverso onde monómeros difundem muito mais rápido que células, descobriu-se que os máximos desaparecem. Devido a corresponderem a mecanismos diferentes, os máximos desaparecem a valores diferentes de escalas de tempo de difusão. Um dos mecanismos surge quando as células difundem mais rapidamente que as partículas e consiste numa redução efetiva do número de células por partícula, aumentando o número de dímeros. Este mecanismo só faz desaparecer um dos máximos. O segundo máximo desaparece apenas quando as partículas difundem muito mais rapidamente que as células, limite em que dímeros e células são efectivamente estáticos quando comparados com as partículas. Devido à dificuldade de formação de ligações entre células e dímeros, o tamanho médio dos agregados diminui. Ambos os mecanismos resultam então no aumento do número de dímeros no estado assimtótico. Estudou-se a interconectividade dos agregados através da proporção de ligações que são loops, descobrindo um valor ótimo do número de células por partícula. Este valor ótimo corresponde ao valor ótimo que maximiza o tamanho médio dos agregados no estado transiente, e é explicado usando a distribuição de patches com célula. Um estudo dos efeitos de tamanho finito é realizado. Concluímos com um estudo do efeito da densidade de células e partículas. Os modelos de rede são válidos apenas no limite de densidade baixas onde encontrámos uma relação linear entre a densidade e altura dos máximos do tamanho médio dos agregados.Techniques for the growth of artificial tissues often make use of a solid structure (known as scaffold) which facilitates the spontaneous growth of the tissue. Commonly, these scaffolds are produced through 3D printing which is currently unable to meet the growing demand for artificial tissues. A novel approach is to construct a system of colloidal particles that spontaneously aggregate with cells mediating the bonds. With this technique, we avoid the need of an invasive surgery as the scaffold is constructed already inside the body. Through a set of mean-field rate equations and percolation theory, we show that suppressing the natural adhesion between cells results in larger scaffolds that self-assemble faster. Simulations of two lattice models using the kinetic Monte Carlo technique reveal how practitioners can tune the ratio of cells to particles and the ratio of diffusion coefficients to obtain desired scaffold characteristics such as size, interconnectivity, and assembly time. In particular, an optimal value of the ratio of cells to particles was found such that a larger, more interconnected scaffold assembles faster. We show also that aggregate diffusivity is crucial for the dynamics, having studied the limits in which size does not effect diffusivity and in which diffusion of aggregates occurs on a much slower timescale than the diffusion of particles and cells. For the former, an interval of the ratio of cells to particles was found such that a giant aggregate that includes all particles forms, in agreement with some simple calculations. For the latter, it was found that the average size of aggregates exhibits a bimodal shape as a function of the ratio of cells to particles with two optimal values in the asymptotic limit. The proposed mechanism involving the suppression of bonds between a portion of the particles is verified with an analytical treatment and simulations. We show that the ratio of diffusion coefficients of cells and particles can suppress these two optimal values through two distinct mechanisms.Araújo, NunoRepositório da Universidade de LisboaAntunes, Gonçalo Filipe Cruz2018-11-27T19:13:36Z201820182018-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/35509TID:202190145enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:31:31Zoai:repositorio.ul.pt:10451/35509Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:49:59.166062Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse |
| dc.title.none.fl_str_mv |
Cell-mediated self-assembly of colloidal scaffolds |
| title |
Cell-mediated self-assembly of colloidal scaffolds |
| spellingShingle |
Cell-mediated self-assembly of colloidal scaffolds Antunes, Gonçalo Filipe Cruz Agregação mediada por linkers Dinâmica celular Colóides patchy Auto-organização Armações Teses de mestrado - 2018 Domínio/Área Científica::Ciências Naturais::Ciências Físicas |
| title_short |
Cell-mediated self-assembly of colloidal scaffolds |
| title_full |
Cell-mediated self-assembly of colloidal scaffolds |
| title_fullStr |
Cell-mediated self-assembly of colloidal scaffolds |
| title_full_unstemmed |
Cell-mediated self-assembly of colloidal scaffolds |
| title_sort |
Cell-mediated self-assembly of colloidal scaffolds |
| author |
Antunes, Gonçalo Filipe Cruz |
| author_facet |
Antunes, Gonçalo Filipe Cruz |
| author_role |
author |
| dc.contributor.none.fl_str_mv |
Araújo, Nuno Repositório da Universidade de Lisboa |
| dc.contributor.author.fl_str_mv |
Antunes, Gonçalo Filipe Cruz |
| dc.subject.por.fl_str_mv |
Agregação mediada por linkers Dinâmica celular Colóides patchy Auto-organização Armações Teses de mestrado - 2018 Domínio/Área Científica::Ciências Naturais::Ciências Físicas |
| topic |
Agregação mediada por linkers Dinâmica celular Colóides patchy Auto-organização Armações Teses de mestrado - 2018 Domínio/Área Científica::Ciências Naturais::Ciências Físicas |
| description |
Tese de mestrado em Física, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, em 2018 |
| publishDate |
2018 |
| dc.date.none.fl_str_mv |
2018-11-27T19:13:36Z 2018 2018 2018-01-01T00:00:00Z |
| dc.type.status.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/publishedVersion |
| dc.type.driver.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/masterThesis |
| format |
masterThesis |
| status_str |
publishedVersion |
| dc.identifier.uri.fl_str_mv |
http://hdl.handle.net/10451/35509 TID:202190145 |
| url |
http://hdl.handle.net/10451/35509 |
| identifier_str_mv |
TID:202190145 |
| dc.language.iso.fl_str_mv |
eng |
| language |
eng |
| dc.rights.driver.fl_str_mv |
info:eu-repo/semantics/openAccess |
| eu_rights_str_mv |
openAccess |
| dc.format.none.fl_str_mv |
application/pdf |
| dc.source.none.fl_str_mv |
reponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação instacron:RCAAP |
| instname_str |
Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação |
| instacron_str |
RCAAP |
| institution |
RCAAP |
| reponame_str |
Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
| collection |
Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
| repository.name.fl_str_mv |
Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informação |
| repository.mail.fl_str_mv |
|
| _version_ |
1799134433423392768 |