Development of alginate hydrogels for bone regeneration

Abstract

El hueso es un tejido capaz de regenerarse por sí mismo después de una lesión. Sin embargo, cuando el defecto es demasiado grande, esto es imposible, y se debe utilizar un injerto de hueso. Las limitaciones asociadas a los injertos óseos tradicionales (autoinjerto, aloinjerto, xenoinjerto) limitan su uso más amplio y han llevado al desarrollo de sustitutos óseos sintéticos. Entre ellos, los hidrogeles han llamado la atención por las ventajas que aportan sus propiedades. El objetivo de este proyecto es desarrollar hidrogeles de alginato para la regeneración ósea. A pesar de su alta biocompatibilidad y baja citotoxicidad, el uso del alginato para la regeneración ósea está limitado por su falta de afinidad celular. En consecuencia, se requiere su modificación con moléculas bioactivas. Por este motivo, otro objetivo de este trabajo es funcionalizar el alginato con péptidos RGD para mejorar la adhesión y la proliferación celular. Los hidrogeles de alginato se prepararon mezclando alginato al 2% (w/v) con sulfato de calcio, que actúan como reticulantes y permiten la formación de estructuras 3D. La concentración final de sulfato de calcio en los hidrogeles fue del 2% (w/v). La reticulación se realizó con jeringas interconectadas, seguido de la deposición del alginato reticulado entre dos placas de vidrio separadas 2 mm. Se dejó que el alginato se reticulara durante 10 minutos y posteriormente se perforaron y lavaron los hidrogeles durante al menos 24 horas. Para preparar hidrogeles de alginato funcionalizados con RGD, el alginato fue modifica primero con norborneno o PDEA y luego fue funcionalizado con 1 mg de péptidos RGD/g de alginato. Los hidrogeles mostraron una estructura porosa con un tamaño de poro de alrededor de 250 µm y presentaron un alto índice de hinchazón. Su comportamiento fue el típico de un hidrogel: comportamiento de cizallamiento bajo cizallamiento y gran elasticidad. El proceso de lavado fue eficiente para eliminar el exceso de sulfato de calcio. Para la funcionalización del alginato se incorporaron 0,76 mg RGD/g de alginato, lo que representa el 76% de la cantidad introducida de péptido, lo cual refleja la eficiencia del método de funcionalización. Estudios futuros deberían centrase en estudiar los efectos de la funcionalización en las propiedades reológicas y la estructura de los hidrogeles, así como su evaluación a nivel de adhesión celular.

L’os és un teixit capaç de regenerar-se sol després d’una lesió. No obstant això, quan el defecte és massa gran, això és impossible i s’hauria d’utilitzar un empelt ossi. Les limitacions que presenta l’ús d’empelts naturals (autoempelt, al·loempelt, xenoempelt) limiten el seu ús més ampli i han conduït al desenvolupament de substituts ossis sintètics. Entre ells, els hidrogels han cridat l'atenció a causa de de les seves propietats beneficioses. L'objectiu d'aquest projecte és desenvolupar hidrogels d’alginat per a la regeneració òssia. Tot i la seva elevada biocompatibilitat i la baixa citotoxicitat, l’ús d’alginat per a la regeneració òssia està limitat per la seva manca d’afinitat cel·lular. En conseqüència, es requereix la seva modificació amb molècules bioactives. Per aquest motiu, un altre objectiu d’aquest treball és funcionalitzar l’alginat amb pèptids RGD per millorar l’adhesió i la proliferació cel·lular. Els hidrogels d’alginat es van preparar barrejant alginat al 2% (w/v) amb sulfat de calci, que actuen com a reticulant i permeten la formació d’estructures 3D. La concentració final de sulfat de calci en els hidrogels va ser del 2% (w/v). La reticulació es va realitzar amb xeringues interconnectades, seguida de la deposició de l’alginat reticulat entre dues plaques de vidre separades 2 mm. L'alginat es va deixar reticulat durant 10 minuts i després es van foradar hidrogels i es van rentar durant almenys 24 hores. Per preparar hidrògels d’alginat funcionalitzat amb RGD, l’alginat es va modificar primer amb norbornè o PDEA i després va ser funcionalitzat amb 1 mg de pèptid RGD / g d’alginat. Els hidrogels van mostrar una estructura porosa amb una mida de porus al voltant de 250 µm i van presentar un elevat grau d’inflament. El seu comportament va ser eltípic d’un hidrogel: comportament d’aprimament de cisallament i gran elasticitat. El procés de rentat va ser eficient per eliminar l’excés de sulfat de calci. Per a la funcionalització de l'alginat, es van incorporar a l'alginat 0,76 mg de RGD / g d'alginat, que representa el 76% de la quantitat introduïda i mostra l’eficiència del mètode de funcionalització Estudis futurs harien de centrar-se en l’estudi dels efectes de la funcionalització sobre les propietats reològiques i l’estructura dels hidrogels, així com en l’avaluació de l’adhesió cel·lular.

Bone is a tissue capable of self-regenerate after an injury. However, when the bone defect is too large, bone cannot regenerate by itself and the use of bone grafts is required. The limitations presented by the use of natural grafts (autografts, allograft, xenograft) limit their wider use and have led to the development of synthetic bone substitutes. Among them, hydrogels have attracted attention due the great tuneability of their properties. The objective of this project is to develop alginate hydrogels for bone regeneration. Despite its high biocompatibility and low cytotoxicity, the use of alginate for bone regeneration is limited by its lack of cellular affinity. Consequently, its modification with bioactive molecules is required. For this reason, another objective of this work is to functionalize alginate with RGD peptides to improve cell attachment and proliferation. In this work, alginate hydrogels were prepared by mixing 2% (w/v) alginate with calcium sulfate, which act as a crosslinker and allow the formation of 3D structures. The final concentration of calcium sulfate in the hydrogels was 2% (w/v). The crosslinking was performed with interconnected syringes, followed by the deposition of the crosslinked alginate between two glass plates separated 2mm. Alginate was left to crosslink for 10 minutes and afterwards hydrogels were punched and washed during at least 24 hours. To prepare RGD-functionalized alginate hydrogels, alginate was first modified with either norbornene or PDEA and then functionalized with 1mg RGD peptides/ g alginate. The hydrogels showed a porous structure with a pore size around 250 µm and presented a high swelling ratio. Their behavior wastypical of a hydrogel: shear-thinning behavior under shear and great elasticity. The washing process was efficient to remove the excess of calcium sulfate. For the functionalization of the alginate, 0.76 mg RGD/g alginate were incorporated in the alginate, which represents 76% of the quantity introduced, proving the efficiency of the functionalization method. Further studies could be performed to study the effects of the functionalization on the rheological properties and structure of the hydrogels as well as to evaluate cell adhesion.