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 Doctoral Thesis

 Chemomechanical Interactions in Biomaterials: Multiphase and
 Multiscale Analyses

 Author(s):
 Stracuzzi, Alberto

 Publication Date:
 2020

 Permanent Link:
 https://doi.org/10.3929/ethz-b-000492446

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ETH Library

Diss. ETH No. 27113

Chemomechanical Interactions in Biomaterials:
    Multiphase and Multiscale Analyses

         A thesis submitted to attain the degree of
          Doctor of Sciences of ETH Zurich
                 (Dr. sc. ETH Zurich)

                       presented by

                   Alberto Stracuzzi
         Laurea Magistrale in Ingegneria Meccanica,
                  Politecnico di Torino
                    born on 10.04.1990
                      citizen of Italy

            accepted on the recommendation of
            Prof. Dr. Edoardo Mazza, examiner
            Dr. Alexander E. Ehret, co-examiner
         Prof. Dr. Thao Vicky Nguyen, co-examiner

                           2020

Summary

Biological tissues are multicellular materials organized to perform specific functions in
the human body, and consist of cells and extracellular matrix (ECM). The resident cells
assemble the environment they live in, defining its biophysical characteristics in order
to accomplish the tasks of the constituted tissue. During their lifetime, cells sense and
remodel their ECM to ensure tissue structural integrity and functionality, both in nor-
mal physiological conditions or as a reaction to damage or diseases. Interstitial fluid,
collagen network and ground matrix of negatively-charged proteoglycans (PGs) and glyc-
osaminoglycans (GAGs) constitute the three main components of ECM in connective
tissues. Their state and physical interactions determine the tissue mechanical behaviour
across the scales, and, ultimately, influence cell response and activity through mechano-
transduction processes. Therefore, the knowledge of the tissue mechanical characteristics
is fundamental and leads to significant implications in medical applications. In fact, on
one hand, mechanical properties might provide valid quantitative diagnostic criteria to
distinguish between healthy and altered tissue conditions. On the other hand, they might
foster the design of new therapeutic strategies, e.g. related to drugs against a target
molecule or to new artificial biomaterials for tissue engineering. To these long-term goals,
the combination of experimental analyses with the potentialities of mathematical model-
ling constitutes a valuable method for the understanding of the underlying mechanisms
in biological tissues. In this thesis, this integrated approach is adopted to rationalize
experimental observations and, in addition to this, computational models are proposed
to investigate how the interactions between ECM components influence the mechanical
response of the tissues at different length scales.

The theory of porous media (TPM) is usually adopted to describe biological tissues as ho-
mogenized continua consisting of incompressible solid and liquid constituents. Apart from
the potential viscoelasticity of the solid, the time-dependent deformation behaviour of tis-
sues is then governed by the fluid permeation through the collagen-ground matrix scaffold.
In addition to this, the presence of fixed negative charges in the PG-GAG macromolecules
regulates the hydration level of the tissues upon deformation, inducing changes of internal
osmotic pressure and chemical potential, in a similar way as in the case of the swelling
behaviour of polymer hydrogels, whose osmotic pressure is of entropic origin. Inspired by

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this analogy, a reconciliation between the TPM and the chemoelastic theory of polymer
gel is derived, and a lean theoretical framework for chemoactive biological tissues, based
on the chemoelastic approach, is proposed. The capabilities of such chemomechanically
coupled model are then showcased by rationalizing the experimental observations in three
different applications. (i) The relaxation behaviour of biomembranes, which undergo a
drastic water (and volume) loss when stretched and invert the relaxation trend if the
external bath osmolarity is reduced. (ii) The hydraulic fracture of epithelial cell clusters
cultured on top of substrates, which occurs upon the onset of hydrostatic pressure peaks
at the base of the cell layer. (iii) The compression behaviour of oocytes, i.e. the female
germ cells, characterized by a relatively thick fibrous membrane, which dominates their
time-dependent response. In all these cases, the proposed theoretical approach captures
the main features of the deformation history, and provides significant insights on the
mechanisms which have generated it.
In addition to the above-mentioned chemomechanical model, a different continuum mul-
tiphase thermomechanical theory is proposed, which treats the tissue as a composite
medium, consisting of solid and liquid components, each described as a compressible
material. This approach is proposed as a versatile alternative to the common biphasic
models, and provides the possibility to consider more general micromechanical solid-fluid
interactions, which go beyond the material incompressibility assumption.

The interactions between stiff collagen fibres and soft matrix of PGs and GAGs not only
affect the tissue macroscopic behaviour, but are expected to influence also the mechanical
characteristics of the ECM at the cell length scale. To this end, the practical difficulty in
accessing experimentally this scale in vivo fostered the implementation of several numer-
ical studies to decipher the ECM mechanical properties at the microscale. However, the
developed computational strategies in literature mainly focused on the description of col-
lagen fibres, neglecting any potential role of the PG-GAG matrix. For this reason, another
contribution of this thesis is the development of an advanced computational framework,
validated through multiscale experiments on human dermis, which explicitly considers
the collagen-ground matrix interactions at the microscale. The results show that, albeit
softer, the PGs and GAGs have a considerable effect, not only in patterning the local
heterogeneity of stiffness and osmotic pressure perceived by potential resident cells, but
also in the force or displacement signal transfer through the elements of the network,
when a local perturbation is used to simulate the contractile action of a cell.

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Sommario

I tessuti biologici sono materiali multicellulari organizzati per svolgere funzioni specifiche
nel corpo umano: essi sono costituiti da cellule e da matrice extra-cellulare (MEC). Le
stesse cellule costruiscono l’ambiente in cui vivono, definendone le proprietà che sono
collegate alle funzioni da svolgere. Durante la loro vita, le cellule percepiscono i segnali
dell’ambiente circostante, rimodellandolo di continuo, in modo tale da assicurare tanto
la sua integrità strutturale quanto la sua funzionalità, sia in condizioni fisiologiche sia in
seguito a una reazione dovuta a danni o malattie. Fluido interstiziale, network di colla-
gene e matrice di proteoglicani (PG) e glicosamminoglicani (GAG), questi ultimi dotati
di cariche negative, sono i tre principali componenti della MEC nei tessuti connettivi. Il
loro stato e le loro interazioni fisiche determinano il comportamento del tessuto alle di-
verse scale di lunghezza e, sostanzialmente, influenzano la risposta e l’attività delle cellule
attraverso processi di meccanotransduzione. Ne deriva che la conoscenza delle caratter-
istiche meccaniche di un tessuto è fondamentale e ha importanti ripercussioni in campo
medico. Infatti, non solo le proprietà meccaniche possono costituire validi criteri dia-
gnostici di tipo quantitativo per distinguere fra tessuti sani e compromessi, ma possono
altresì promuovere la idea-zione di nuove strategie terapeutiche, come, ad esempio, farmaci
contro specifiche molecole o innovativi biomateriali per l’ingegneria tissutale. Per il rag-
giungimento di questo obiettivo di lungo termine, la combinazione di analisi sperimentali
unitamente alle potenzialità della modellazione matematica costituisce un efficace metodo
per la comprensione dei meccanismi che stanno alla base del funzionamento dei tessuti
biologici. Nella presente tesi, questo approccio integrato viene adottato per interpretare
e comprendere le osservazioni sperimentali e, in aggiunta a ciò, vengono proposti modelli
computazio-nali per studiare come le interazioni fra i componenti della MEC influenzano
la risposta meccanica dei tessuti alle diverse scale di lunghezza.

La teoria dei mezzi porosi (TMP), generalmente, descrive i tessuti biologici come continui
omogenei composti da un componente solido e uno liquido, entrambi incomprimibi-li.
Tralasciando possibili scale temporali legate alla viscoelasticità del costituente solido, ne
deriva quindi che il comportamento di deformazione nel tempo dei tessuti è governato
dalla diffusione del liquido attraverso la struttura di collagene e matrice di PG e GAG.
Inoltre, la presenza di cariche fisse legate alle macromolecole di PG e GAG regola il livello

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di idratazione dei tessuti in seguito alla deformazione, provocando cambiamenti interni
di pressione osmotica e potenziale chimico, in maniera molto simile a quanto succede nel
caso di idrogel polimerici, in cui, però, la pressione osmotica ha origine entropica. Traendo
inspirazione da questa analogia, viene proposto un modello dal formalismo semplice per
la descrizione di tessuti chemoattivi, il quale riconcilia la TMP e la teoria chemoelastica
dei gel di polimero a livello teorico. Le potenzialità di tale teoria chemomeccanica sono
successivamente presentate attraverso il confronto con tre set di dati sperimentali. (i) Il
rilassamento meccanico di biomembrane, che subiscono una drastica perdita d’acqua (e,
quindi, una riduzione di volume) quando sottoposte a sforzi di trazione, e invertono questo
trend allorquando il bagno salino esterno viene cambiato in favore di una soluzion ipo-
tonica. (ii) La frattura idraulica di strati di cellule epiteliali, che si verifica in seguito alla
presenza di picchi di pressione idrostatica alla base dello strato cellulare. (iii) Il comporta-
mento a compressione degli ovociti, ossia le cellule germinali femminili, caratterizzate da
una membrana cellulare relativamente spessa e fibrosa, la quale risuta predominante nella
risposta alla deformazione nel tempo. In tutti questi studi, il modello teorico proposto
coglie le caratteristiche peculiari della storia di deformazione e inoltre fornisce inform-
azioni significative sui meccanismi che l’hanno determinata.
In aggiunta al modello chemomeccanico appena definito, viene sviluppata un’ulteriore
teoria termomeccanica e multifase. Questa teoria tratta i tessuti come materiali com-
positi, formati da due componenti, solido e liquido, ciascuno descritto come un materiale
comprimibile. L’approccio viene proposto come alternativa versatile al tradizionale mo-
dello bifasico, offrendo la possibilità di considerare interazioni solido-liquido più generali
e che vanno al di là dell’ipotesi di costituenti intrinsecamente incomprimibili.

Le interazoni tra il rigido network di collagene e la soffice matrice di PG e GAG non solo
condizionano il comportamento macroscopico dei tessuti, ma hanno effetti anche sulle
proprietà meccaniche della MEC alla scala di lunghezza delle cellule. In vista di ciò, la
difficoltà pratica di testare in vivo la MEC a tale scala ha indotto l’implementazione di
molti studi numerici per decifrare le proprietà meccaniche della MEC alla microscala.
Tuttavia, questi studi in letteratura si focalizzano principalmente sul network di fibre di
collagene, trascurando qualsiasi possibile ruolo della matrice di PG e GAG. Per questa
ragione, un altro contributo di questa tesi è lo sviluppo di un modello computazionale
avanzato, validato tramite esperimenti multiscala sul derma umano, che considera esplicit-
amente le interazioni collagene-PG-GAG alla microscala. I risultati ottenuti dimostrano
che, sebbene soffici, la matrice di PG e GAG ha un effetto considerevole, non solo nel
definire l’eterogeneità locale della rigidezza e della pressione osmotica percepite da po-
tenziali cellule, ma anche nel trasferimento dei segnali di forza e spostamento attraverso
gli elementi del network quando una perturbazione locale viene utilizzata per simulare la
contrazione di una cellula.

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