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Thiol-ene Cross-linked Poly(glycidol) / Hyaluronic Acid Based Hydrogels for 3D Bioprinting

Thilo-En vernetzte Hydrogele basierend auf Poly(glyzidolen) und Hyaluronsäure für das 3D-Biodrucken

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-174713
  • The aim of the work was the development of thiol-ene cross-linked hydrogels based on functionalized poly(glycidol)s (PG) and hyaluronic acid (HA) for extrusion based 3D bioprinting. Additionally, the functionalization of the synthesized PG with peptides and the suitability of these polymers for physically cross-linked gels were investigated, in a proof of principle study in order to demonstrate the versatile use of PG polymers in hydrogel development. First, the precursor polymers of the different hydrogel systems were synthesized. ForThe aim of the work was the development of thiol-ene cross-linked hydrogels based on functionalized poly(glycidol)s (PG) and hyaluronic acid (HA) for extrusion based 3D bioprinting. Additionally, the functionalization of the synthesized PG with peptides and the suitability of these polymers for physically cross-linked gels were investigated, in a proof of principle study in order to demonstrate the versatile use of PG polymers in hydrogel development. First, the precursor polymers of the different hydrogel systems were synthesized. For thiol-ene cross-linked hydogels, linear allyl-functionalized PG (P(AGE-co-G)) and three different thiol-(SH-)functionalized polymers, ester-containing PG-SH (PG SHec), ester-free PG-SH (PG-SHef) and HA-SH were synthesized and analysed, The degree of functionalization of these polymers was adjustable. For physically cross-linked hydrogels, peptide-functionalized PG (P(peptide-co-G)), was synthesized through polymer analogue thiol-ene modification of P(AGE-co-G). Subsequently, thiol-ene cross-linked hydrogels were prepared with the synthesized thiol- and allyl-functionalized polymers. Depending on the origin of the used polymers, two different systems were obtained: on the one hand synthetic hydrogels consisting of PG-SHec/ef and P(AGE-co-G) and on the other hand hybrid gels, consisting of HA-SH and P(AGE-co-G). In synthetic gels, the degradability of the gels was determined by the applied PG-SH. The use of PG-SHec resulted in hydrolytically degradable hydrogels, whereas the cross-linking with PG-SHef resulted in non-degradable gels. The physical properties of these different hydrogel systems were determined by swelling, mechanical and diffusion studies and subsequently compared among each other. In swelling studies the differences of degradable and non-degradable synthetic hydrogels as well as the differences of synthetic compared to hybrid hydrogels were demonstrated. Next, the stiffness and the swelling ratios (SR) of the established hydrogel systems were examined in dependency of different parameters, such as incubation time, polymer concentration and UV irradiation. In general, these measurements revealed the same trends for synthetic and hybrid hydrogels: an increased polymer concentration as well as prolonged UV irradiation led to an increased network density. Moreover, it was demonstrated that the incorporation of additional non-bound HMW HA hampered the hydrogel cross-linking resulting in gels with decreased stiffness and increased SR. This effect was strongly dependent on the amount of additional HMW HA. The diffusion of different molecular weight fluorescein isothiocyanate-dextran (FITC-dextran) through hybrid hydrogels (with/without HMW HA) gave information about the mesh size of these gels. The smallest FITC-dextran (4 kDa) completely diffused through both hydrogel systems within the first week, whereas only 55 % of 40 kDa and 5-10 % HMW FITC-dextrans (500 kDa and 2 MDa) could diffuse through the networks. The applicability of synthetic and hybrid hydrogels for cartilage regeneration purpose was investigated through by biological examinations. It was proven that both gels support the survival of embedded human mesenchymal stromal cells (hMSCs) (21/28 d in vitro culture), however, the chondrogenic differentiation was significantly improved in hybrid hydrogels compared to synthetic gels. The addition of non-bound HMW HA resulted in a slightly less distinct chondrogenesis. Lastly the printability of the established hydrogel systems was examined. Therefore, the viscoelastic properties of the hydrogel solutions were adjusted by incorporation of non-bound HMW HA. Both systems could be successfully printed with high resolution and high shape fidelity. The introduction of the double printing approach with reinforcing PCL allowed printing of hydrogel solutions with lower viscosities. As a consequence, the amount of additional HMW HA necessary for printing could be reduced allowing successful printing of hybrid hydrogel solutions with embedded cells. It was demonstrated that the integrated cells survived the printing process with high viability measured after 21 d. Moreover, by this reinforcing technique, robust hydrogel-containing constructs were fabricated. In addition to thiol-ene cross-linked hydrogels, hydrogel cross-linking via ionic interactions was investigated with a hybrid hydrogel based on HMW HA and peptide-functionalized PG. Rheological measurements revealed an increase in the viscosity of a 2 wt.% HMW HA solution by the addition of peptide-functionalized PG. The increase in viscosity could be attributed to the ionic interactions between the positively charge PG and the negatively charge HMW HA. In conclusion, throughout this thesis thiol-ene chemistry and PG were introduced as promising cross-linking reaction and polymer precursor for the field of biofabrication. Furthermore, the differences of hybrid and synthetic hydrogels as well as chemically and physically cross-linked hydrogels were demonstrated. Moreover, the double printing approach was demonstrated to be a promising tool for the fabrication of robust hydrogel-containing constructs. It opens the possibility of printing hydrogels that were not printable yet, due to too low viscosities.show moreshow less
  • Ziel der Arbeit war die Entwicklung von Thiol-En-vernetzten Hydrogelen basierend auf funktionalisierten Poly(glyzidolen) (PG) und Hyaluronsäure (HA) für das extrusionsbasierte 3D-Biodrucken. Um die vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten von PG-Polymeren für die Hydrogelentwicklung zu zeigen, wurde darüber hinaus, in einer Proof-of-Principle-Studie, PG mit Peptiden funktionalisiert und die Eignung dieser Polymere für die Herstellung von physikalisch vernetzten Gelen untersucht. Zunächst wurden die Vorläuferpolymere für die verschiedenenZiel der Arbeit war die Entwicklung von Thiol-En-vernetzten Hydrogelen basierend auf funktionalisierten Poly(glyzidolen) (PG) und Hyaluronsäure (HA) für das extrusionsbasierte 3D-Biodrucken. Um die vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten von PG-Polymeren für die Hydrogelentwicklung zu zeigen, wurde darüber hinaus, in einer Proof-of-Principle-Studie, PG mit Peptiden funktionalisiert und die Eignung dieser Polymere für die Herstellung von physikalisch vernetzten Gelen untersucht. Zunächst wurden die Vorläuferpolymere für die verschiedenen Hydrogelsysteme synthetisiert. Für die Thiol-En-vernetzten Hydrogele wurde lineares Allyl-funktionalisiertes PG (P(AGE-co-G)) und drei verschiedene Thiol-(SH )funktionalisierte Polymere, Ester haltiges PG-SH (PG-SHec), Ester freies PG SH (PG-SHef) und HA-SH synthetisiert und analysiert. Dabei war der Funktionalisierungsgrad dieser Polymere einstellbar. Für physikalisch vernetzte Hydrogele wurde Peptid-funktionalisierte PGs (P(Peptid co-G)) mittels polymeranaloger Thiol-En-Modifikation von P(AGE-co-G) synthetisiert. Anschließend wurden Thiol-En-vernetzte Hydrogele auf Basis der synthetisierten Thiol- und Allyl-funktionalisierten Polymeren hergestellt. Je nach Ursprung der verwendeten Polymere wurden zwei verschiedene Systeme erhalten: einerseits synthetische Hydrogele bestehend aus PG-SHec/ef und P(AGE-co-G) und andererseits hybride Gele, bestehend aus HA-SH und P(AGE-co-G). Bei den synthetischen Gelen wurde die Abbaubarkeit der Gele durch das verwendete PG-SH bestimmt. Die Verwendung von PG-SHec resultierte in hydrolytisch abbaubaren Hydrogelen, während die Vernetzung mit PG-SHef zu nicht abbaubaren Gelen führte. Die physikalischen Eigenschaften der verschiedenen Hydrogelsysteme wurden mittels Quell-, mechanischen und Diffusionsexperimenten bestimmt und anschließend miteinander verglichen. Die Quellungsstudien zeigten die Unterschiede von abbaubaren und nicht abbaubaren synthetischen Hydrogelen, sowie die Unterschiede von synthetischen gegenüber hybriden Hydrogelen. Als nächstes wurden die Steifigkeit und das Quellverhältnis (SR) der etablierten Hydrogelsysteme in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern wie Inkubationszeit, Polymerkonzentration und UV-Bestrahlung untersucht. Im Allgemeinen zeigten diese Messungen für synthetische und hybride Hydrogele die gleichen Trends: eine erhöhte Polymerkonzentration sowie eine verlängerte UV-Bestrahlung führten zu einer erhöhten Netzwerkdichte. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass das Einbringen zusätzlicher, nicht gebundener HMW HA die Hydrogelvernetzung behinderte, was zu Gelen mit verringerter Steifigkeit und erhöhtem SR führte. Dieser Effekt war stark abhängig von der Menge an zusätzlich eingebrachter HMW HA. Die Diffusion von Fluorescein-Isothiocyanat-Dextran (FITC-Dextran) mit unterschiedlichem Molekulargewichten durch hybride Hydrogele (mit/ohne HMW HA) lieferte Informationen über die Maschengröße dieser Gele. Das kleinste FITC-Dextran (4 kDa) diffundierte innerhalb der ersten Woche vollständig durch beide Hydrogelsysteme, während nur 55 % der 40 kDa und 5-10 % HMW FITC-Dextrane (500 kDa und 2 MDa) durch die Netzwerke diffundieren konnten. Die Anwendbarkeit von synthetischen und hybriden Hydrogelen für Knorpelregenerationszwecke wurde durch biologische Experimente untersucht. Es wurde bewiesen, dass beide Gele das Überleben von eingebetteten humanen mesenchymalen Stromazellen (hMSCs) unterstützen (21/28 d in vitro Kultur), jedoch war die chondrogene Differenzierung in hybriden Hydrogelen im Vergleich zu synthetischen Gelen signifikant verbessert. Die Zugabe von nicht gebundenem HMW HA führte zu einer etwas weniger ausgeprägten Chondrogenese. Zuletzt wurde die Druckbarkeit der etablierten Hydrogelsysteme untersucht. Dafür wurden die viskoelastischen Eigenschaften der Hydrogellösungen durch das Einbringen von nicht gebundener HMW HA eingestellt. Beide Systeme konnten erfolgreich mit hoher Auflösung und hoher Formgenauigkeit gedruckt werden. Die Einführung des Doppeldruck-Konzeptes mit verstärkendem PCL ermöglichte das Drucken von Hydrogellösungen mit niedrigeren Viskositäten. Infolgedessen konnte die für den Druck notwendige Menge an HMW HA reduziert und hybride Hydrogellösungen mit eingebetteten Zellen erfolgreich gedruckt werden. Es wurde gezeigt, dass die integrierten Zellen den Druckprozess mit hoher Vitalität überlebten (gemessen nach 21 d). Darüber hinaus wurden mit dieser Verstärkungstechnik robuste Hydrogel-enthaltende Konstrukte hergestellt. Zusätzlich zu den Thiol-En-vernetzten Hydrogelen wurde die Hydrogelvernetzung mittels elektrostatischen Wechselwirkungen mit einem hybriden Gel auf der Basis von HMW HA und Peptid-funktionalisiertem PG untersucht. Rheologische Messungen ergaben eine Erhöhung der Viskosität einer 2 wt.% HMW HA Lösungen durch die Zugabe von Peptid-funktionalisiertem PG. Der Viskositätsanstieg konnte auf die elektrostatischen Wechselwirkungen zwischen dem positiv geladenen PG und der negativ geladenen HMW HA zurückgeführt werden. Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit die Thiol-En-Chemie und PG als vielversprechende Vernetzungsreaktion bzw. Polymervorstufe für die Biofabrikation eingeführt. Des Weiteren wurden die Unterschiede von hybriden und synthetischen Hydrogelen sowie von chemisch und physikalisch vernetzten Hydrogelen aufgezeigt. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass das Doppeldruck-Konzept eine vielversprechende Methode für die Herstellung von robusten Hydrogel-enthaltenden Konstrukten ist. Es eröffnet die Möglichkeit, Hydrogele zu drucken, die aufgrund zu geringer Viskositäten bis jetzt nicht druckbar waren.show moreshow less

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Metadaten
Author: Simone Schäfer [geb. Stichler]
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-174713
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Fakultät für Chemie und Pharmazie
Faculties:Medizinische Fakultät / Abteilung für Funktionswerkstoffe der Medizin und der Zahnheilkunde
Referee:Prof. Dr. Jürgen Groll
Date of final exam:2018/12/11
Language:English
Year of Completion:2019
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 547 Organische Chemie
GND Keyword:Hyaluronsäure; Hydrogel; Glycidol; 3D-Druck
Tag:3D printing; Hyaluronic Acid; hydrogels; poly(glycidol); thiol-ene
Release Date:2019/01/04
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht mit Print on Demand