Soy protein based biomaterials for soft tissue engineering and wound healing

Soja-Protein-basierte Biomaterialien für Weichgewebezüchtung und Wundversorgung

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-89177
  • Biomaterials have been utilized in tissue engineering and regenerative medicine as synthetic or natural derived scaffolds to support cells in order to promote tissue regeneration and to restore the function of injured tissue. Different biomaterials chosen for scaffold fabrication may contain however some unfavorable properties. In order to bypass some of the limitations of synthetic polymers such as having undesirable degradation products and being inactive or, moreover, to tackle potential biocompatibility issues with animal derived proteins like immunogenicity, this project investigated soy protein isolate (SPI) as a green and abundant plant derived protein in a variety of structures forBiomaterials have been utilized in tissue engineering and regenerative medicine as synthetic or natural derived scaffolds to support cells in order to promote tissue regeneration and to restore the function of injured tissue. Different biomaterials chosen for scaffold fabrication may contain however some unfavorable properties. In order to bypass some of the limitations of synthetic polymers such as having undesirable degradation products and being inactive or, moreover, to tackle potential biocompatibility issues with animal derived proteins like immunogenicity, this project investigated soy protein isolate (SPI) as a green and abundant plant derived protein in a variety of structures for soft tissue engineering and wound dressing applications. Composite SPI films containing bioactive glasses (BG) showed hemostatic capability which is important for wound healing applications. Moreover, cell culture study results confirmed attachment, spreading and proliferation of mouse embryonic fibroblast (MEF) cells on these composite films, particularly for SPI films containing 13-93 BG that could be due to the smoother surface morphology of this film in comparison to other composite films fabricated with other BG composition. In order to suggest SPI based hydrogels for other types of wounds like diabetic ulcers or burn wounds, SPI was combined with alginate which is a well-known hydrogel that has been used for decades as wound dressing material. Alginate (Alg) has some drawbacks such as slow and uncontrolled degradation and poor cell adhesion properties which was solved in the present study by blending with SPI. Cytocompatibilty results of 2D cell culture on Alg/SPI hydrogels showed better cell attachment and proliferation for both human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) and normal human dermal fibroblast (NHDF) cells compared to pure alginate hydrogel films. The addition of BG also promoted cell attachment and proliferation which might be due to changes in the surface morphology of the hydrogels and ionic dissolution products of BG. Nano indentation outcomes on Alg/SPI hydrogel films indicated higher effective Young’s modulus in comparison to pure Alg hydrogel films. As a 3D model, encapsulated human adipose-derived mesenchymal stem cells (hADSCs) in Alg/SPI hydrogel microcapsules indicated migration and proliferation of these cells compared to pure alginate microcapsules, which were found to be enhanced by increasing SPI content. Higher degradation profile of different compositions of Alg/SPI microcapsules compared to Alg microcapsules could be the reason for cell elongation and cell proliferation. In this research project two different techniques were considered to produce 3D SPI based scaffolds: electrospinning and bioplotting. The parameters for electrospinning SPI based fibrous scaffold were optimized and then scaffolds were characterized in terms of pore size, fiber diameter, porosity and mechanical properties. The effect of relative humidity on the fibers morphology was investigated. A preliminary cell biology study was carried out to assess the viability of MEF cells in contact with electrospun fibrous scaffolds. The results indicated no toxic effect compared to the control and these fibrous scaffolds were shown to support cell proliferation. Biofabrication of Alg/SPI hydrogels containing MEF cells was investigated to obtain 3D Alg/SPI constructs. Cell viability results were equivalent to the results obtained with capsules. Overall, the outcomes of these studies make the developed materials as promising candidates for applications in soft tissue engineering and wound healing applications and warrant further in vitro and in vivo investigations.show moreshow less
  • Biomaterialien, synthetischen oder natürlichen Ursprungs, werden bei der Gewebezüchtung für die regenerativen Medizin als sog. Stützstrukturen für Zellen eingesetzt, um das Wachstum und das Differenzieren von Stammzellen zu unterstützen und um letztlich die Funktion des verletzten Gewebes wiederherzustellen. Verschiedene Biomaterialien, die bereits als Stützstrukturen eingesetzt wurden, zeigten jedoch nachteilige Eigenschaften wie fehlende Biokompatibität oder unzureichende Abbaubarkeit. Mit dem Ziel einige diese Nachteile zu überwinden, wie beispielsweise unerwünschte Degradationsprodukte, Inaktivität, oder vielmehr potentielle Biokompatibilitätsprobleme bei Proteinen tierischen Ursprungs,Biomaterialien, synthetischen oder natürlichen Ursprungs, werden bei der Gewebezüchtung für die regenerativen Medizin als sog. Stützstrukturen für Zellen eingesetzt, um das Wachstum und das Differenzieren von Stammzellen zu unterstützen und um letztlich die Funktion des verletzten Gewebes wiederherzustellen. Verschiedene Biomaterialien, die bereits als Stützstrukturen eingesetzt wurden, zeigten jedoch nachteilige Eigenschaften wie fehlende Biokompatibität oder unzureichende Abbaubarkeit. Mit dem Ziel einige diese Nachteile zu überwinden, wie beispielsweise unerwünschte Degradationsprodukte, Inaktivität, oder vielmehr potentielle Biokompatibilitätsprobleme bei Proteinen tierischen Ursprungs, welche Immunogenizität hervorrufen können -, wurde Soja Protein Isolat (SPI) als ein reichlich vorhandenes Protein natürlichen Ursprungs in unterschiedlichen Strukturen für die Weichgewebezüchtung und als Wundversorgung untersucht. Kompositfilme aus SPI und bioaktiven Glass (BG), zeigten hämostatisches Potenzial, welches wichtig für die Anwendung in der Wundversorgung ist. Des Weiteren bestätigten in vitro Studien, das die Adhäsion, Spreitung und Proliferation von embrionalen Maus Fibroblasten (MEF) auf den Kompositfilmen, speziell für SPI Filme, welche 13-93 BG beinhalteten ansteigt. Dies kann u.a. auf die Oberflächenmorphologie dieser Filme zurückgeführt werden. Um SPI basierte Hydrogele für andere Wundtypen, wie z.B. auf Diabetis verursachte Geschwüre oder auf Verbrennungswunden anwenden zu können, wurde SPI mit Alginat kombiniert Alginat (Alg) , welches seit Jahrzehnten ein bekanntes Hydrogel in der Wundversorgung ist, weist einige Nachteile auf, wie eine langsame und nicht kontrollierbare Degradationsrate sowie geringe Zelladhäsionseigenschaften, welche in der vorliegenden Studie durch die Beimischung von SPI gelöst wurden. Zytokompatibilitätuntersuchungen auf Alg/SPI Hydrogelen in 2D zeigten eine verbesserte Zelladhäsion und Proliferation sowohl von humanen Endothelzellen aus der Nabelschnurvene (HUVEC) als auch von humanen dermalen Fibroblasten (NHDF) im Vergleich zu puren Alginat Hydrogelfilmen. Die Zugabe von BG förderte ebenfalls die Zelladhäsion und Proliferation, die auf Veränderungen in der Oberflächenmorphologie der Hydrogele und ionischen Lösungsprodukten des BG zurückzuführen sein könnten. Untersuchungen mittels Nanoindentierung zeigten einen höheren effektiven Elastizitätsmodul von Alg/SPI-Hydrogel-Filmen im Vergleich zu reinen Alg-Hydrogel-Filmen. Humane mesenchymale Stammzellen adipösen Ursprungs (hADSCs), welche in Alg/SPI-Hydrogel-Mikrokapseln als 3D-Zellkulturmodell immobilisiert wurde, zeigten eine erhöhte Migration und Proliferation im Vergleich zu den immobilisierten Zellen in reinen Alg-Mikrokapseln. Dieses Verhalten der Zellen wurde durch eine Erhöhung des SPI Anteils noch verstärkt. Eine höhere Degradationsrate von Alg/SPI-Mikrokapseln im Vergleich zu Alg-Mikrokapseln, könnte eine Erklärung für die Zunahme der Zellausdehnung und Zellproliferation sein. In dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Techniken eingesetzt, um 3D SPI-basierte Konstrukte herzustellen: Elektrospinning und Bioplotting. Die Parameter für das Elektrospinnen von SPI-basierten Fasergerüsten wurden hinsichtlich Porengröße, Faserdurchmesser, Porosität und mechanischen Eigenschaften evaluiert. Zusätzlich wurde die Wirkung von relativer Feuchtigkeit auf die Fasermorphologie untersucht. Eine erste zellbiologische Studie wurde durchgeführt, um die Lebensfähigkeit von MEF-Zellen in Kontakt mit elektrogesponnenen Fasergerüsten zu beurteilen. Diese Ergebnisse zeigten keine toxische Wirkung der Scaffolds auf die Zellen im Vergleich zur Kontrollgruppe und es wurde gezeigt, dass die fibrösen Stützstrukturen die Zellproliferation unterstützen. Die Biofabrikation von Alg/SPI-Hydrogelen, welche MEF-Zellen enthielten wurde untersucht, um 3D Alg/SPI Konstrukte zu erhalten. Die Ergebnisse der Zellvitalitätsuntersuchungen waren identisch zu den Ergebnissen aus der Zellverkapselung. Insgesamt, die Resultate dieser Studien zeigen, dass die entwickelten Materialien vielversprechende Kandidaten für Anwendungen in der Weichgewebezüchtung sowie der Wundversorgung sind und rechtfertigen somit weitere in vitro und in vivo Untersuchungen.show moreshow less

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Metadaten
Author:Samira Tansaz
Persistent identifiers - URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-89177
Referee:Aldo R. Boccaccini
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of publication:2017
Date of online publication (Embargo Date):2017/10/25
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Acceptance date of the thesis:2017/09/25
Release Date:2017/11/13
SWD-Keyword:Soy protein; Wound healing; Soft tissue engineering; Plant derived protein; Biocompatibility
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):Keine Creative Commons Lizenz - es gilt der Veröffentlichungsvertrag und das deutsche Urheberrecht