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Spinal cord injury is a serious trauma and despite intensive research there is still no effective treatment for patients. The aim of this thesis is to study new possibilities of spinal cord injury therapy in animal models. We have focused on the use of natural materials, stem cells, gene therapy and the possibility of combining these approaches. The effect of extracellular matrix (ECM) based materials prepared by decellularization of porcine spinal cord and porcine urinary bladder on tissue regeneration after acute hemisection of the spinal cord was investigated. Another tested material was a hydrogel based on hyaluronic acid modified with RGD adhesion peptide, which was applied acutely and subacutely into the hemisection lesion. We have shown that both types of biomaterials have positive effect on regeneration of the spinal cord tissue by bridging the lesion and promotion of axonal ingrowth. In addition, ECM hydrogels promote the growth of blood vessels into the lesion site. The combination of hydrogels with mesenchymal stem cells derived from human umbilical cord (hWJ-MSCs) had synergistic effect, but since only a limited number of cells could be incorporated into hydrogels, this effect was not associated with improvement in motor skills. The limitation of ECM hydrogels is their rapid...

Výborný, Karel. Vývoj materiálů na bázi extracelulární matrix pro léčbu centrálního nervového systému. [Development of extracellular-matrix scaffolds for CNS repair]. Praha, 2020. 105 stran, 3 přílohy. Dizertační práce (Ph.D.). Univerzita Karlova, 2. lékařská fakulta, Ústav experimentální medicíny, AV ČR v.v.i. Abstract Brain and spinal cord injury are a serious traumata and despite intensive research, there is still no effective treatment for patients. One of the studied approaches is to use various biomaterials to repair the damaged neural tissue. The aim of this thesis is to study the regenerative and neurotrophic effects of injectable extracellular matrix (ECM) hydrogels prepared by decellularization from porcine tissue (brain, spinal cord, bladder) and human umbilical cord (UC) in reconstruction of damaged neural tissue of the brain and spinal cord in rats. We characterized ECM hydrogels in terms of mechanical and rheological properties, structure and composition, cell adhesion, migration and proliferation. In a model of spinal cord hemisection, we compared the regenerative effect of ECM hydrogels derived from porcine spinal cord and urinary bladder. We found no benefits of tissue specific ECM prepared from the tissue of neural origin in terms of its neurotrophic properties in vitro or in vivo....

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Year 2019, football, rugby, netball and skiing had most occurring ACL injuries, listed by United Kingdom National Ligament Report (NLR). The standard procedure treatment of complete laceration of the ACL, is performed by tissue autograft implantation designed from a patellar tendon, for replacement of damaged tissue using orthopaedic surgery. The aim of this thesis is to design and fabricate an ACL graft, attempting to mimic the natural ACL, for the purpose of tissue reconstruction. The desired graft analogues exhibited properties imitating native connective tissue, reducing pain through drug delivery with great biocompatibility and enhance suture mechanical strength. Various biomaterials were implemented into this study, utilising strategies; polymer solution fabrication, electrospinning, hydrogel synthesis, mechanical braiding and graft assembly to fabricate an ACL graft. The polymeric material poly (E- caprolactone) (PCL) was researched, utilising its ability to fabricate scaffolds. Results showed, three analogue ACL grafts (Braided PCL-BP, Braided PCL + Hydrogel-BPH & Braided PCL + Sutures-BPS) created utilising the properties of braiding, hydrogels and sutures, ultimately improving the versatility of electrospinning for tissue engineering and reconstruction. Graft analogues were tested and compared against patellar tendons producing similar tensile properties. Poly vinyl alcohol (PVA) hydrogels successfully held ibuprofen, revealing drug delivery characteristics, polyester threads improved mechanical properties of electrospun grafts and dry degradation showed that PCL did not lose significant mass over two months. Conclusion, tensile strength of patella tendon was 395x, 790x & 56x of analogue grafts (BP, BPH & BPS) respectively, having potential for improvement of tensile parameters for ligament reconstruction.

Lignin als nachwachsendes, erneuerbares Biopolymer, welches als Nebenprodukt in der Zellstoffindustrie anfällt, besitzt das Potenzial Materialien auf der Basis von endlichen, fossilen Rohstoffen ganz oder teilweise zu ersetzen. Ziel der Arbeit war es Adsorptionsmaterialien auf der Basis von Lignin in Form von Hydrogelen herzustellen und ihre Adsorptionseigenschaften zu untersuchen. Hierfür wurden zunächst verschiedene technische Lignine (Kraftlignine, Ligninsulfonate und Sodalignine) eingehend charakterisiert, zu Hydrogelen vernetzt und die Adsorptionseigenschaften an den Metallionen Cu(II), Ni(II) und Zn(II) untersucht. Weiterhin wurde der Einfluss der Fraktionierung des Lignins auf die Adsorptionseigenschaften der resultierenden Ligninhydrogele untersucht. Hierfür wurde das Kraftlignin mittels Aceton : Wassermischungen über die unterschiedliche Löslichkeit der Fraktionen aufgetrennt. Die Fraktionierung des Ligninsulfonates erfolge über die Membranfiltration, bei der ein Reinigungsschritt mit kleinem Porendurchmesser vorausgesetzt wurde. Durch chemische Modifizierung des Ausgangslignins konnten die Adsorptionseigenschaften des Ligninhydrogels verändert werden. Hierfür wurden drei verschiedene Synthesewege durchgeführt: Die Einbringung von Dihydroxybenzol über eine sauerkatalysierte Substitutionsreaktion, das Anbinden von Iminodiessigsäure über die Mannich-Reaktion und mittels Epichlorhydrin, sowie die Einbringung von stickstofffunktionellen Gruppen mittels oxidativer Ammonolyse. Ferner wurden weitere Eigenschaften wie die Zyklenstabilität und Selektivität der Ligninhydrogele untersucht. Die während der Adsorption ablaufenden die Schrumpf- und Quelleigenschaften des Hydrogels konnten ausgenutzt werden, um ein Konzept für ein Sensorsystem zu entwickeln. Dazu wurde das Ligninhydrogel an kovalent an einen ITO-Träger angebunden und die Schrumpf- und Quellprozesse mittels QCM am Beispiel von verschieden konzentrieren Magnesium- und Natriumionenlösungen untersucht. An Aerogelen, welche durch Gefriertrocknung aus dem Kraftligninhydrogel hergestellt wurden, konnten weiterhin die Adsorption von Rohöl gezeigt werden. Außerdem wurde eine Maßstabsvergrößerung der Hydrogelsynthese von 5 g auf 1 kg durchgeführt.:Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Formelzeichenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis 1 Motivation und Zielstellung 2 Theorie 2.1 Lignin 2.1.1 Aufbau 2.1.2 Isolierungsmethoden 2.1.2.1 Kraftaufschluss 2.1.2.2 Sulfitaufschluss 2.1.2.3 Sodaaufschluss bzw. Alkaliaufschluss 2.1.3 Anwendungspotenzial des Lignins 2.1.4 Fraktionierung des Lignins 2.1.5 Modifizierung des Lignins 2.2 Hydrogele 2.2.1 Ligninhydrogele 2.2.2 Anwendung von Ligninhydrogelen 2.3 Adsorption 2.3.1 Adsorptionsparameter 2.3.2 Ionenaustauscher 2.3.3 Selektivität 2.4 Metallionen 2.4.1 Toxikologie und Abscheidung von Schwermetallen 2.4.2 Adsorption von Metallionen an Materialien auf Ligninbasis 3 Ergebnisse und Diskussion 3.1 Hydrogele aus Ligninen unterschiedlichen Ursprungs 3.1.1 Charakterisierung der Lignine 3.1.2 Synthese und Charakterisierung der Ligninhydrogele 3.1.3 Vergleich der Adsorptionskapazitäten der Ligninhydrogele 3.1.4 Fazit zur Hydrogelsynthese aus unterschiedlichen Ligninen 3.2 Adsorptionseigenschaften der Ligninhydrogele am Beispiel von Ca-HG und LS-HG 3.2.1 Bestimmung thermodynamische Kenngrößen 3.2.2 Bestimmung kinetische Kenngrößen 3.2.3 Äußere Einflussfaktoren 3.2.4 Fazit zur Untersuchung der Adsorptionseigenschaften 3.3 Fraktionierung ausgewählter Lignine 3.3.1 Fraktionierung des Kraftlignins KL mittels Lösungsmittelgradienten 3.3.1.1 Charakterisierung der fraktionierten Lignine 3.3.1.2 Synthese und Charakterisierung der fraktionierten Ligninhydrogele 3.3.1.3 Zwischenfazit Fraktionierung von KL 3.3.2 Fraktionierung des Ligninsulfonates LSE mittels Membranfiltration 3.3.2.1 Entfernung von Zuckern und schwefliger Säure aus der Dicklauge 3.3.2.2 Charakterisierung der fraktionierten Lignine 3.3.2.3 Charakterisierung und Vergleich der Adsorptionskapazitäten der fraktionierten Ligninhydrogele 3.3.2.4 Zwischenfazit zur Fraktionierung von LSE 3.3.3 Fazit zur Fraktionierung von Lignin 3.4 Chemische Modifizierung der Kraftlignine 3.4.1 Modifizierung mit Dihydroxybenzol 3.4.1.1 Charakterisierung der modifizierten Ligninhydrogele 3.4.1.2 Vergleich der Ligninhydrogele aus fraktioniertem Kraftlignin aus KL 3.4.1.3 Fazit der Modifizierung mit Dihydroxybenzenen 3.4.2 Modifizierung durch oxidative Ammonolyse 3.4.2.1 Charakterisierung der modifizierten Lignine 3.4.2.2 Charakterisierung und Vergleich der Adsorptionskapazitäten der modifizierten Ligninhydrogele 3.4.2.3 Fazit der Modifizierung mittels oxidativer Ammonolyse 3.4.3 Modifizierung mit Iminodiessigsäure 3.4.3.1 Charakterisierung der modifizierten Lignine 3.4.3.2 Charakterisierung und Vergleich der Adsorptionskapazitäten der modifizierten Ligninhydrogele 3.4.3.3 Fazit der Modifizierung mittels Iminodiessigsäure 3.5 Vergleich der Aufnahmekapazitäten der hergestellten Ligninhydrogele mit der Literatur 3.6 Anwendungsorientierte Untersuchungen 3.6.1 Ligninhydrogele als Adsorber für die Sorption von Metallionen aus wässrigen Medien 3.6.1.1 Zyklenstabilität des Säulenmaterials 3.6.1.2 Selektive Adsorption von Cu(II)-Ionen 3.6.1.3 Fazit aus der Verwendung von Ligninhydrogelen als Adsorber für Metallionen aus wässrigen Lösungen 3.6.2 Ligninhydrogele für Sensoranwendungen 3.6.2.1 Anbindung des Ligninhydrogels an einen Glasträger 3.6.2.2 Untersuchung des Ansprechverhalten des Ligninhydrogelsensors 3.6.2.3 Fazit der Verwendung von Ligninhydrogelen als Sensormaterial 3.6.3 Aerogele aus Kraftligninhydrogelen für die Sorption von Ölen 3.6.3.1 Synthese und Charakterisierung des Aerogels 3.6.3.2 Vergleich mit anderen Materialien aus nachwachsenden Rohstoffen 3.6.3.3 Fazit der Verwendung von Aerogelen aus Ligninhydrogelen für die Adsorption von Öl 3.6.4 Upscaling der Hydrogelsynthese 3.6.4.1 Planung und Aufbau der Syntheseanlage 3.6.4.2 Überprüfung der Anforderungen der Hydrogelsyntheseanlage 3.6.4.3 Fazit zum Upscaling der Hydrogelsynthese 4 Zusammenfassung und Ausblick 5 Experimentalteil 5.1 Chemikalien und Materialien 5.2 Lignine und Fraktionierung des Lignins 5.3 Modifizierung des Lignins 5.4 Synthese der Hydrogele, Aerogele und Xerogele 5.5 Anbindung des Ligninsulfonates an den Glasträger 5.6 Synthese von Referenzmaterialien 5.7 Vorversuche für die Herstellung der Hydrogelsyntheseanlage 5.8 Adsorptionsversuche 5.9 Analytische Methoden 6 Anhang 7 Literatur

M. Tech. (Department of Chemical Engineering, Faculty of Engineering and Technology), Vaal University of Technology. / Heavy metal ions are one of the most toxic materials in the environment. Adsorption is the most used process for the removal of heavy metals from wastewater. Much research has been conducted into processes to remove heavy metals using different adsorbents. Various adsorbents have been used to remove heavy metal ions from wastewater especially those that are harmful to mankind. Zeolite, clay, activated carbon and biopolymers are the most common adsorbents used. In this research, gelatin, and cellulose nanocrystals (CNCs) were used to synthesize a hydrogel membrane to remove Cu(II) and Co(II) metal ions from mining processes wastewater. The synthetic wastewater was prepared in the laboratory to conduct the experiments. Batch experiments were conducted to obtain the optimum conditions for the Cu(II) and Co(II) metal ions. The effect of parameters such as pH, ratio, contact time, and temperature were also determined. The optimum conditions obtained were 120 min contact time for both metal ions at the temperature of 30oC, pH 5 for copper and pH 7 for cobalt. The high removal of both metals ions was obtained using the ratio 3:1 (75% Gelatin and 25% CNCs) at the temperature of 303K. The maximum adsorption capacity of Cu(II) and Co(II) was 7.6923 mg/g and 10.988 mg/g, respectively. The high percentage removal of Cu(II) and Co(II) metal ions obtained was found to be 70.5% for Cu(II) at pH 5 and 74.5% for Co(II) at pH 7. The experimental data fit well to Pseudo-first-order kinetic and Freundlich isotherm models (KF= 1.89x103 mg/g for copper and 3.7x102 mg/g for cobalt) for both metal ions. The values of energy (E) from D-R model have shown that the adsorption of both metal ions was of physical nature (E<8kJ/mol) then confirmed by the thermodynamic results (ΔH°). The kinetic diffusion models have shown that the experimental data fit well with the film diffusion (R2= 0.977 and 0.989) for both metal ions at pH 5. Negative values of ΔG°obtained for both metal ions indicate that the adsorption process was spontaneous. The positive values of ΔH° obtained showed a physical adsorption process and also indicate that the adsorption process of both metal ions was endothermic. The positive values of ΔS° indicate an increase in randomness at the solid/solution interface during adsorption.

The extracellular matrix (ECM) is a three-dimensional, acellular scaffold of living tissues. Incorporating the ECM into cell culture models is a goal of cell biology studies and requires biocompatible materials that can mimic the ECM. Among such materials are hydrogels: polymeric networks that derive most of their mass from water. With the tuning of their properties, these polymer networks can resemble living tissues. The microarchitectural properties of hydrogels, such as porosity, pore size, fiber length, and surface topology can determine cell plasticity. The adequate characterization of these parameters requires reliable and reproducible methods. However, most methods were historically standardized using other biological specimens, such as 2D cell cultures, biopsies, or even animal models. Therefore, their translation comes with technical limitations when applied to hydrogel-based cell culture systems. In our current work, we have reviewed the most common techniques employed in the characterization of hydrogel microarchitectures. Our review provides a concise description of the underlying principles of each method and summarizes the collective data obtained from cell-free and cell-loaded hydrogels. The advantages and limitations of each technique are discussed, and comparisons are made. The information presented in our current work will be of interest to researchers who employ hydrogels as platforms for cell culture, 3D bioprinting, and other fields within hydrogel-based research.