Intelligent hydrogels for cartilage regeneration

Abstract

Osteoarthritis (OA) is a frequent degenerative condition of the articular cartilage characterized by hypertrophic changes in the bone. It is the most typical joint disorder, affecting approximately 300 million worldwide. Due to this and the lack of cartilage’s healing capabilities, many studies have been conducted to find a cure for OA. Several clinical procedures with the aim to reduce the pain or lack of movement have already been applied in patients with OA, and even though the results seem promising in the early post-operatory, they are never permanent. Novel techniques for cartilage regeneration have been studied, including using natural polymer-based hydrogels, since natural polymers have many different and unique properties advantageous for cartilage regeneration. Chitosan (CHI) is the most promising biopolymer for the treatment of OA since it is biocompatible, biodegradable, and composed of D-glucosamine units. This monomer is a natural building block of the cartilage and plays a massive role in its regeneration, being responsible for attenuating inflammation, inhibiting the activity of different enzymes responsible for cartilage degradation and repairing damaged tissues. Therefore, the work developed in this master's thesis aims to prepare a CHI hydrogel that promotes cartilage regeneration, by attenuating inflammation, from the phased release of D-glucosamine units by the action of encapsulated enzymes. Methacrylated low molecular weight CHI (LmwMACHI) with 22% modification degree was obtained by modification of CHI with methacrylic anhydride. LmwMACHI can form hydrogels through covalent bonds between its methacrylic groups when exposed to UV irradiation. Mechanical characterization evidenced that Double-Network (DN) hydrogels presented better results than LmwMACHI hydrogels, in Young’s modulus and toughness, and the same happened with the 2% MACHI DNWTPP 50/50 hydrogels. Exo-β-D-glucosaminidase and α-amylase were chosen, out of a group of tested enzymes, to be encapsulated in a 2% MACHI DNWTPP 50/50 hydrogel and demonstrated a phased release of D-glucosamine monomers. To evaluate the anti-inflammatory effect, biological assays of in vitro cell culture were performed using the hydrogel 2% MACHI DNWTPP 50/50 with the encapsulated enzymes. The results indicated that the amount of D-glucosamine released by the hydrogels was not effective in preventing inflammation. To conclude, the developed hydrogels are promising, but lack optimization in the release of D-glucosamine.

A osteoartrite (OA) é uma doença degenerativa frequente da cartilagem articular caracterizada por alterações hipertróficas no osso. É o transtorno articular mais comum, e afeta aproximadamente 300 milhões de pessoas em todo o mundo. Devido a isto, e à débil capacidade regenerativa da cartilagem, muitos estudos têm sido realizados para tentar encontrar uma cura para a OA. Diversos procedimentos clínicos já foram realizados em pacientes com OA, com o objetivo de se reduzir a dor ou a falta de movimento. Contudo, embora os resultados pareçam promissores posteriormente à operação, nunca são permanentes. Novas técnicas sobre regeneração da cartilagem têm sido então estudadas, incluindo o uso de hidrogéis à base de polímeros naturais, uma vez que estes polímeros apresentam propriedades únicas e diferentes entre si, vantajosas para a regeneração da cartilagem. O quitosano (CHI) é o biopolímero mais promissor para o tratamento da OA, devido à sua biocompatibilidade, biodegradabilidade, e ao facto de ser composto por D-glucosamina. Este monómero é um constituinte natural da cartilagem e desempenha um papel importante na sua regeneração, sendo responsável por atenuar a inflamação, inibir a atividade de diferentes enzimas responsáveis pela degradação da cartilagem e reparar os tecidos danificados. Deste modo, o trabalho desenvolvido nesta dissertação de mestrado visa preparar um hidrogel de CHI capaz de promover a regeneração da cartilagem, através da atenuação da inflamação, a partir da libertação faseada de monómeros de D-glucosamina por força da ação de enzimas encapsuladas. O CHI de baixo peso molecular metacrilado (LmwMACHI) com grau de modificação de 22% foi obtido pela modificação do CHI com anidrido metacrílico. O LmwMACHI pode formar hidrogéis através de ligações covalentes entre os seus grupos metacrílicos quando irradiados com UV. A caracterização mecânica evidenciou que os hidrogéis Double-Network (DN) apresentaram resultados melhores que os hidrogéis LmwMACHI, a nível de Módulo de Young e dureza, e o mesmo ocorreu com os hidrogéis 2% MACHI DNWTPP 50/50. A exo-β-D-glucosaminidase e α-amilase foram escolhidas, de um grupo de enzimas testadas, para serem encapsuladas num hidrogel 2% MACHI DNWTPP 50/50 e demonstraram uma libertação faseada de monómeros de D-glucosamina. Para avaliar o efeito anti-inflamatório foram realizados ensaios biológicos de cultura de células in vitro utilizando o hidrogel 2% MACHI DNWTPP 50/50 com as enzimas encapsuladas. Os resultados indicaram que a quantidade de D-glucosamina libertada pelos hidrogéis não foi eficaz na prevenção de inflamação. Em suma, os hidrogéis desenvolvidos são promissores, mas carecem de otimização na libertação de D-glucosamina.