Development of a photocrosslinkable granular hydrogel for biomedical applications

Abstract

In the tissue engineering and regenerative medicine (TERM) field, hydrogels have been exploited for a long time as scaffolds for cells encapsulation and delivery in an attempt to functionally repair or regenerate damaged tissues. However, despite presenting several advantages the unrealistic diffusion rates of cells, nutrients and metabolites still remain key limitations found in these widespread platforms. Granular hydrogels comprised by the guided aggregation of hydrogel microparticles (HMPs) are proposed as a solution to bridge these flaws. The particles can be covalently annealed together generally using advanced chemical tools forming a microporous scaffold (MAP). The most recent advances in MAPs indicate their potential for improving cell infiltration and tissue regeneration, when compared to regular hydrogels. In this thesis, gelatin biopolymers were modified with pendant hydroxyphenyl-like chemical moieties for assembling MAP scaffolds via photo- or enzyme crosslinkable. Initially spherical, micro-sized gelatin microgels (ca. 76 μm) were produced via oil-free emulsion. Microparticles were then annealed and it was demonstrated that the different types of annealing chemistries (Photo- or enzymatic) did not significantly influenced the stiffness of the scaffold. The gelatin-based MAP presented high biocompatibility and the ability to promote stem cells and vascular precursor cells adhesion and proliferation. Additionally, the results also showed the printable features of the developed granular hydrogels with the maintenance of cell integrity. Overall, the developed cell adhesive MAP scaffold presents several advantages for being used in the context of cell therapies and bone or vascular tissue engineering applications.

Em engenharia de tecidos e medicina regenerativa (TERM) os hidrogéis têm sido desenvolvidos como plataformas para encapsulamento e entrega de células, como tentativa de regenerar e reparar os tecidos lesionados. No entanto, apesar das diversas vantagens, as taxas de difusão de nutrientes e metabolitos celulares irrealistas, ainda se mantém como principais limitações nestas plataformas. Hidrogéis granulares compostos pela agregação de micropartículas de hidrogel (HMPs) são propostos como solução para colmatar estas falhas. As HMPs podem ser covalentemente ligadas usando mecanismos químicos avançados formando uma plataforma porosa. Os avanços mais recentes mostram potencial para infiltração celular, e regeneração de tecidos quando comparados com hidrogéis. Nesta tese, o bio-polímero de gelatina foi modificado com grupos semelhantes hidroxifenil para a agregação das plataformas MAP, via reticulação foto- ou enzimática. Inicialmente a partículas esféricas de tamanho micro (diâmetro 76 μm) foram produzidas por uma emulsão sem óleos. As partículas foram ligadas por diferentes tipos de químicas o que não influenciou a rigidez do MAP. O MAP de gelatina apresentou uma elevada biocompatibilidade e habilidade para promove a adesão e proliferação de células-tronco e células precursoras de células vasculares. Adicionalmente, os resultados também mostraram a capacidade de impressão com a manutenção da integridade celular. Assim, os MAP de adesão desenvolvidos apresentaram diversas vantagens para utilização no contexto de terapias celulares para engenharia de tecidos de osso ou vascular.