Advanced Hydrogels Concepts Based on Combinations of Alginate, Gelatin and Bioactive Glasses for Tissue Engineering

Entwicklung anwendungsspezifischer Hydrogelkonzepte basierend auf der Kombination von Alginat, Gelatine und bioaktivem Glas für das Tissue Engineering

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-64901
  • Tissue engineering approaches typically involve an exogenous extracellular matrix (ECM) called a scaffold, isolated cells and biochemical signals. The design of the suitable exogenous ECM is essential for the success of tissue engineering since it regulates cell behavior, cell phenotype and tissue-specific gene expression and can mimic the functions of the native ECM of the host tissue. Hydrogels are attractive materials to develop exogenous ECM for tissue engineering applications since they possess microstructure and basic properties that resemble the native ECM in addition to being biocompatible. Alginate is one of the most widely used hydrogel-based biomaterials for tissue engineeringTissue engineering approaches typically involve an exogenous extracellular matrix (ECM) called a scaffold, isolated cells and biochemical signals. The design of the suitable exogenous ECM is essential for the success of tissue engineering since it regulates cell behavior, cell phenotype and tissue-specific gene expression and can mimic the functions of the native ECM of the host tissue. Hydrogels are attractive materials to develop exogenous ECM for tissue engineering applications since they possess microstructure and basic properties that resemble the native ECM in addition to being biocompatible. Alginate is one of the most widely used hydrogel-based biomaterials for tissue engineering applications because of its favorable ionic gelation property at mild conditions, which is suitable for the encapsulation of living cells and biomolecules. However, the slow and uncontrolled degradation and poor cell adhesion properties of alginate limit its applicability in tissue engineering. In the present study, an experimental approach was developed to overcome the drawbacks of alginate by designing a novel class of hydrogel. An alginate-gelatin crosslinked (ADA-GEL) hydrogel was synthesized through covalent crosslinking of alginate di-aldehyde (ADA) with gelatin (GEL). Using this approach the degradation of the matrix was found to be enhanced due to oxidation of alginate, which was carried out for ADA synthesis. Moreover, degradation of ADA-GEL could be controlled by changing the ratio between ADA and GEL moieties. In this study, two cell culture models (2D and 3D) based on the developed hydrogels were investigated. A 2D cell culture study was carried out on hydrogel films, in which normal human dermal fibroblasts (NHDF) and rat bone marrow derived stem cells (rBMSCs) were studied. Viability, attachment, spreading and proliferation of fibroblasts were significantly increased on ADA-GEL of different compositions compared to pristine alginate. Moreover, in vitro cytocompatibility of ADA-GEL was found to increase with increasing gelatin content. Similar outcomes were also observed for rBMSCs on ADA-GEL with and without 0.1% (w/v) bioactive glass nanoparticles (nBG). Moreover, two different 3D models were studied for in vitro cell culture, namely, microencapsulation and scaffolding approach using freeze-drying techniques. The first approach focused on the fabrication of microcapsules from ADA–GEL. The microencapsulation of cells in biodegradable hydrogels offers numerous attractive features for a variety of biomedical applications including tissue engineering. Microcapsules from ADA-GEL hydrogels of different compositions were achieved by tailoring the oxidation degree of ADA, crosslinking degree of ADA-GEL and concentrations and compositions of the hydrogels. From the in vitro cell study it was established that ADA-GEL hydrogels of different compositions supported spreading, migration and proliferation of encapsulated human adipose-derived mesenchymal stem cells (hADSCs), which, however, were found to be enhanced with increasing gelatin content. The extensive spreading, high cell-cell and cell-material interactions of the cells encapsulated in the ADA-GEL hydrogels demonstrated in this study have not been achieved in alginate-based hydrogels before. Most importantly, osteogenic differentiation of hADSCs was achieved in ADA-GEL microcapsules of all compositions. A preliminary in vivo biocompatibility study was conducted (by collaborators) using a subcutaneous model in rat, in which no significant immune reaction was observed for ADA-GEL microcapsules with and without encapsulated rBMSCs. In analogy to the in vitro degradation study, in vivo degradation of ADA-GEL microcapsules was also apparent. In the second approach, freeze-dried scaffolds were fabricated from ADA-GEL without and with the addition of different amounts of bioactive glass (BG). The scaffolds were used as 3D templates for in vitro cell culture aiming at final applications in bone tissue engineering. Incorporation of bioactive glass into ADA-GEL drew significant effects on the properties of the hydrogel and hydrogel-derived scaffolds. Incorporation of BG enhanced the mechanical properties and in vitro bioactivity of ADA-GEL-derived scaffolds. Osteogenic differentiation of bone marrow stromal cell line (ST-2) was found to occur in the freeze-dried scaffolds even in the absence of any external osteogenic stimulating supplements. These outcomes make the developed materials promising candidates for applications in bone tissue engineering and warrant further in vivo investigations.show moreshow less
  • Forschungen zur Gewebezüchtung beinhalten typischerweise die Synthese der extrazellulären Matrix (EZM) auch Scaffolds genannt, das Verhalten isolierter Zellen und biochemischen Signalen. Eine geeignete EZM ist entscheidend für den Erfolg der Gewebezüchtung, da Sie das Zellverhalten den Phänotyp der Zelle und die Expression gewebespezifischer Gene reguliert sowie die Funktion der natürlichen EZM des Empfängergewebes imitiert. Hydrogele sind attraktive Materialien, um EZM bei der Gewebezüchtung zu erzeugen, da sie die Mikrostruktur und wesentlichen Eigenschaften der natürlichen EZM besitzen. Zusätzlich weisen sie eine hervorragende Biokompatibilität auf. Alginat ist für Anwendungen in derForschungen zur Gewebezüchtung beinhalten typischerweise die Synthese der extrazellulären Matrix (EZM) auch Scaffolds genannt, das Verhalten isolierter Zellen und biochemischen Signalen. Eine geeignete EZM ist entscheidend für den Erfolg der Gewebezüchtung, da Sie das Zellverhalten den Phänotyp der Zelle und die Expression gewebespezifischer Gene reguliert sowie die Funktion der natürlichen EZM des Empfängergewebes imitiert. Hydrogele sind attraktive Materialien, um EZM bei der Gewebezüchtung zu erzeugen, da sie die Mikrostruktur und wesentlichen Eigenschaften der natürlichen EZM besitzen. Zusätzlich weisen sie eine hervorragende Biokompatibilität auf. Alginat ist für Anwendungen in der Gewebezüchtung eines der am häufigsten verwendeten hydrogelbasierten Biomaterialien. Aufgrund seiner vorteilhaften Eigenschaften hinsichtlich der ionischen Gelierung unter milden Bedingungen ermöglicht es die Verkapselung von lebenden Zellen sowie bioaktiven Molekülen. Die langsame und unkontrollierte Degradation sowie die unzureichende Zelladhäsion an Alginat limitiert jedoch dessen Anwendbarkeit in der regenerativen Medizin. In dieser Arbeit wurden Versuche entwickelt, um das Alginat hinsichtlich seiner nachteiligen Eigenschaften zu verbessern. Durch die kovalente Bindung von Alginat Dialdehyd (ADA) mit Gelatine (GEL) wurde ein vernetztes Alginat-Gelatine (ADA-GEL) Hydrogel hergestellt. Durch die Oxidation des Alginats wurde die Degradation der Matrix optimiert. Ferner kann das Degradationsverhalten von ADA-GEL durch die Variation des Verhältnisses der funktionellen Gruppen des ADA und der GEL eingestellt werden. In dieser Arbeit wurden zwei Zellkulturmodelle (2D und 3D) mit den entwickelten Hydrogelen untersucht. Die 2D Zellkulturstudie wurde an Hydrogelfilmen durchgeführt, wobei normale humane dermale Fibroblasten (NHDF) und mesenchymale Stammzellen aus dem Knochenmark von Ratten (rBMSCs) analysiert wurden. Im Vergleich zum nicht modifizierten Alginat waren die Vitalität, die Adhäsion, die Spreitung und die Proliferation der Zellen bei verschiedenen Zusammensetzungen des ADA-GELs signifikant verbessert. Weiterhin wurde deutlich, dass die in-vitro Zytokompatibilität von ADA-GEL mit einem steigenden Anteil von Gelatine zunimmt. Ähnliche Resultate wurden für die rBMSCs auf ADA-GEL mit und ohne 0.1% (w/v) nanoskaliger bioaktiver Glaspartikel (nBG) erzielt. Desweiteren wurden zwei verschiedene 3D Modelle für in vitro Zellkulturuntersuchungen herangezogen, nämlich der Ansatz der Mikroverkapselung sowie die Herstellung von Stützgerüsten mit Hilfe der Gefriertrocknungstechnik. Das erste Konzept zielte auf die Herstellung von Mikrokapseln aus ADA-GEL. Die Mikroverkapselung von Zellen in biodegradierbaren Hydrogelen eröffnet zahlreiche Möglichkeiten für eine Vielzahl an biomedizinischen Anwendungen einschließlich der Gewebezüchtung. Durch die Anpassung des Oxidationsgrades von ADA, des Vernetzungsgrades von ADA-GEL und der Konzentration sowie der Zusammensetzung der Hydrogele wurden Mikrokapseln aus ADA-GEL mit verschiedenen Zusammensetzungen gezielt optimiert. Durch die in vitro Zellstudie wurde gezeigt, dass ADA-GEL Hydrogele mit verschiedenen Zusammensetzungen die Spreitung, Migration und Proliferation von verkapselten humanen aus dem Fettgewebe gewonnenen mesenchymalen Stammzellen (hADSCs) stimulieren, was durch die Erhöhung des Gelatineanteils noch gesteigert werden konnte. Die ausgiebige Spreitung, eine hohe Zell-Zell und Zell-Material Wechselwirkung der im ADA-GEL verkapselten Zellen, konnten durch Alginat-basierte Hydrogele vorher nicht erreicht werden. Besonders hervorzuheben ist die osteogene Differenzierung von hADSCs in ADA-GEL Mikrokapseln aller Zusammensetzungen. Ein Vorversuch der in vivo Biokompatibilitätsstudie wurde (von Kollaborateuren) unter Verwendung eines subkutanen Modells an Ratten durchgeführt, wobei keine signifikante Immunreaktion für ADA-GEL Mikrokapseln mit und ohne eingekapselte rBMSCs festgestellt wurde. Analog zur in vitro Degradationsstudie, war auch in vivo Degradation die ADA-GEL Mikrokapseln zu beobachten. In einem zweiten Ansatz wurden gefriergetrocknete ADA-GEL Scaffolds mit und ohne bioaktivem Glas (BG) hergestellt. Die Scaffolds wurden als 3D Gerüststrukturen für in vitro Zellkulturuntersuchungen herangezogen, mit dem Ziel, diese in der Knochengewebezüchtung einzusetzen. Das Einbringen von bioaktivem Glas in ADA-GEL führte zu signifikanten Effekten hinsichtlich der Eigenschaften des Hydrogels und der aus diesem hergestellten Scaffolds. Die Zugabe von BG erhöhte die mechanischen Eigenschaften und die in vitro Bioaktivität von ADA-GEL Scaffolds. Es zeigte sich, dass es in den gefriergetrockneten Scaffolds zur osteogenen Differenzierung der Knochenmark Stroma Zelllinie (ST-2) kommt, obwohl keine externen Zusätze zur osteogenen Differenzierung verwendet wurden. Diese Ergebnisse zeigen, dass die entwickelten Materialien vielversprechende Kandidaten für den Einsatz im Knochen Tissue engineering sind, erfordern jedoch weitere in vivo Untersuchungen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Bapi Sarker
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-64901
Referee:Aldo Boccaccini
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of publication:2015
Date of online publication (Embargo Date):2015/03/08
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2015/07/22
Release Date:2015/08/14
SWD-Keyword:Dissertation; Gelatin; Hydrogels; Tissue Engineering; Alginate
Length/size:1-192
Institutes:Technische Fakultät
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access
Licence (German):Creative Commons - CC BY - Namensnennung 3.0