Enzymatic synthesis of aliphatic polyesters for application in tissue engineering: development and characterization of nanofiber mats with bioactive glasses

Abstract

A engenharia de tecidos busca regenerar tecidos danificados, promovendo um ambiente favorável à adesão, proliferação e diferenciação celular por meio da combinação de biomateriais, células e sinais biológicos. Entretanto, a seleção do biomaterial ideal ainda é um desafio, especialmente para a regeneração de tecidos moles. O poli(e-caprolactona) (PCL) é amplamente utilizado devido à sua biocompatibilidade e processabilidade, mas sua elevada hidrofobicidade e lenta taxa de degradação limitam a aplicação em sistemas que exigem reabsorção controlada. Para superar essas limitações, estetrabalho investiga a incorporação de poliésteres hidrofílicos de origem renovável, sintetizados por policondensação enzimática, como alternativa sustentável para modificar as propiedades das fibras de PCL. O poli(succinato de propileno-co-succinato de glicerol) (PPSG), obtido com catálise da lipase B de Candida antarctica(CALB), foi utilizado como aditivo polimérico para promover a hidrofilicidade, ajustar a taxa de degradação e modular as propriedades mecânicas, tornando o PCLmais adequado para aplicações biomédicas. A síntese enzimática oferece controle sobre a estrutura do polímero sob condições brandas, evitando subprodutos tóxicos e alinhando-se aos princípios da química verde.Outro desafio relevante é a baixa bioatividade de polímeros sintéticos, que geralmente não promovem interações biológicas essenciais à regeneração tecidual. Para contornar essa limitação, este estudo investigou a incorporaçãodepartículas de vidro bioativo (BG 45S5) e nanopartículas mesoporosas de vidro bioativo dopado com boro (B-MBGNs) em fibras obtidas por eletrofiação da blenda de PCL/PPSG. Esses vidros são conhecidos pela por promover bioatividade indireta, atraves da formação de hidroxiapatita em contato com fluidos biológicos e pela liberação de íons que estimulam a adesão e proliferação celular.Os resultados confirmaram a eficácia da catálise enzimática na síntese do PPSG, com seletividade de 94% para hidroxilas primárias do glicerol, gerando um polímero hidrofílico de massa molar média de 10,5 kDa (dispersidade ±2). A incorporação de PPSG nas fibras de PCL/PPSG/BG 45S5 aumentou o diâmetro médio das fibras para ~2,2 µm, sem formação de esferas, indicando processamento homogêneo. A adição de 10% de PPSG reduziu o ângulo de contato de 117° (PCL puro) para 26°, promovendo melhor molhabilidade e adesão celular. As propriedades mecânicas também melhoraram: o módulo de Young aumentou de 1,7 para 6,0 MPa e a resistência à tração de 0,4 para 1,5 MPa. A bioatividade foi confirmada pela formação de hidroxiapatita após três dias em fluido corporal simulado.A incorporaçãodasB-MBGNs vreduziu o diâmetro médio das fibras para ~0,9 µm devido ao aumento da condutividade da solução polimérica. Concentrações elevadas diminuíram a ductilidade, indicando a necessidade de otimização da formulação. Ensaios de viabilidade celular com fibroblastosdérmicos humanos (NHDF) mostraram maior proliferação e morfologia bem espalhada nas amostras contendo B-MBGNs (50SiO2–40CaO–10B2O3).Em síntese, a incorporação de PPSG e nanopartículas de vidro bioativo em fibras de PCL resultou em scaffolds com propriedades físico-químicas e biológicas aprimoradas, confirmando o potencial dessa abordagem para o desenvolvimento de biomateriais sustentáveis e funcionais para engenharia de tecidos moles.

Abstract: Tissue engineering aims to regenerate damaged tissues by creating a favorable microenvironment for cell adhesion, proliferation, and differentiation through the combination of biomaterials, cells, and biological cues. However, selecting the ideal biomaterial remains a major challenge, particularly for soft-tissue regeneration. Poly(e-caprolactone) (PCL) is widely used due to its biocompatibility and excellent processability, but its high hydrophobicity and slow degradation rate limit applications requiring controlled resorption. To overcome these limitations, this work investigates the incorporation of renewable hydrophilic polyesters synthesized via enzymatic polycondensation as a sustainable alternative to modify the properties of PCL fibers. The poly(propylene succinate-co-glycerol succinate) (PPSG), obtained through catalysis by Candida antarcticalipase B (CALB), was employed as a polymeric additive to enhance hydrophilicity, tune the degradation rate, and modulate mechanical performance, thereby rendering PCL more suitable for biomedical applications. The enzymatic synthesis route provides structural control under mild conditions, avoiding toxic by-products and aligning with the principles of green chemistry.Another critical limitation of synthetic polymers is their inherently low bioactivity, which often prevents the establishment of essential biological interactions for effective tissue regeneration. To address this issue, this study explored the incorporation of bioactive glass (BG 45S5) particles and boron-doped mesoporous bioactive glass nanoparticles (B-MBGNs) into electrospun PCL/PPSG blends. These glasses are known for their ability to induce indirect bioactivity through the formation of hydroxyapatite (HAp) upon exposure to biological fluids and for releasing therapeutic ions that promote cell adhesion and proliferation.The results confirmed the efficiency of the enzymatic catalysis in PPSG synthesis, with 94% selectivity toward primary hydroxyl groups of glycerol, yielding a hydrophilic polymer with a weight-average molecular mass of 10.5 kDa (dispersity ±2). Incorporation of PPSG into PCL/PPSG/BG 45S5 fibers increased the average fiber diameter to approximately 2.2 µm, without bead formation, indicating homogeneous electrospinning. The addition of 10 wt% PPSG reduced the contact angle from 117° (pure PCL) to 26°, enhancing wettability and cell adhesion. Mechanical properties were also improved: the Young's modulus increased from 1.7 to 6.0 MPa, and the ultimate tensile strength (UTS) from 0.4 to 1.5 MPa. Bioactivity was iconfirmed by the formation of hydroxyapatite after three days of immersion in simulated body fluid (SBF).The incorporation of B-MBGNs further reduced the average fiber diameter to approximately 0.9 µm due to the increased conductivity of the polymer solution. However, high nanoparticle concentrations decreased ductility, suggesting the need for formulation optimization. Cell viability assays with normal human dermal fibroblasts (NHDF) showed enhanced proliferation and well-spread morphology in samples containing B-MBGNs (50SiO2–40CaO–10B2O3).In summary, the incorporation of PPSG and bioactive glass nanoparticles into PCL fibers resulted in scaffolds with enhanced physicochemical and biological properties, confirming the potential of this sustainable approach for the development of functional biomaterials aimed at soft-tissue engineering and chronic wound healing.