This work presents the development of entropy-elastic gelatin based networks in the form of films or scaffolds. The materials have good prospects for biomedical applications, especially in the context of bone regeneration. Entropy-elastic gelatin based hydrogel films with varying crosslinking densities were prepared with tailored mechanical properties. Gelatin was covalently crosslinked above its sol gel transition, which suppressed the gelatin chain helicity. Hexamethylene diisocyanate (HDI) or ethyl ester lysine diisocyanate (LDI) were applied as chemical crosslinkers, and the reaction was conducted either in dimethyl sulfoxide (DMSO) or water. Amorphous films were prepared as measured by Wide Angle X-ray Scattering (WAXS), with tailorable degrees of swelling (Q: 300-800 vol. %) and wet state Young’s modulus (E: 70 740 kPa). Model reactions showed that the crosslinking reaction resulted in a combination of direct crosslinks (3-13 mol.-%), grafting (5-40 mol.-%), and blending of oligoureas (16-67 mol.-%).
The knowledge gained with this bulk material was transferred to the integrated process of foaming and crosslinking to obtain porous 3-D gelatin-based scaffolds. For this purpose, a gelatin solution was foamed in the presence of a surfactant, Saponin, and the resulting foam was fixed by chemical crosslinking with a diisocyanate. The amorphous crosslinked scaffolds were synthesized with varied gelatin and HDI concentrations, and analyzed in the dry state by micro computed tomography (µCT, porosity: 65±11–73±14 vol.-%), and scanning electron microscopy (SEM, pore size: 117±28–166±32 µm).
Subsequently, the work focused on the characterization of the gelatin scaffolds in conditions relevant to biomedical applications. Scaffolds showed high water uptake (H: 630-1680 wt.-%) with minimal changes in outer dimension. Since a decreased scaffold pore size (115±47–130±49 µm) was revealed using confocal laser scanning microscopy (CLSM) upon wetting, the form stability could be explained. Shape recoverability was observed after removal of stress when compressing wet scaffolds, while dry scaffolds maintained the compressed shape. This was explained by a reduction of the glass transition temperature upon equilibration with water (dynamic mechanical analysis at varied temperature (DMTA)). The composition dependent compression moduli (Ec: 10 50 kPa) were comparable to the bulk micromechanical Young’s moduli, which were measured by atomic force microscopy (AFM). The hydrolytic degradation profile could be adjusted, and a controlled decrease of mechanical properties was observed. Partially-degraded scaffolds displayed an increase of pore size. This was likely due to the pore wall disintegration during degradation, which caused the pores to merge.
The scaffold cytotoxicity and immunologic responses were analyzed. The porous scaffolds enabled proliferation of human dermal fibroblasts within the implants (up to 90 µm depth). Furthermore, indirect eluate tests were carried out with L929 cells to quantify the material cytotoxic response. Here, the effect of the sterilization method (Ethylene oxide sterilization), crosslinker, and surfactant were analyzed. Fully cytocompatible scaffolds were obtained by using LDI as crosslinker and PEO40 PPO20-PEO40 as surfactant. These investigations were accompanied by a study of the endotoxin material contamination. The formation of medical-grade materials was successfully obtained (<0.5 EU/mL) by using low-endotoxin gelatin and performing all synthetic steps in a laminar flow hood. / Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung Entropie-elastischer Gelatine-basierter Netzwerke als Filme und Scaffolds. Mögliche Anwendungen für die entwickelten Materialien liegen im biomedizinischen Bereich, insbesondere der Knochenregeneration.
Im ersten Schritt der Arbeit wurden Entropie-elastische, Gelatine-basierte Hydrogel-Filme entwickelt, deren mechanische Eigenschaften durch die Veränderung der Quervernetzungsdichte eingestellt werden konnten. Dazu wurde Gelatine in Lösung oberhalb der Gel-Sol-Übergangstemperatur kovalent quervernetzt, wodurch die Ausbildung helikaler Konformationen unterdrückt wurde. Als Quervernetzer wurden Hexamethylendiisocyanat (HDI) oder Lysindiisocyanat ethylester (LDI) verwendet, und die Reaktionen wurden in Dimethylsulfoxid (DMSO) oder Wasser durchgeführt. Weitwinkel Röntgenstreuungs Spektroskopie (WAXS) zeigte, dass die Netzwerke amorph waren. Der Quellungsgrad (Q: 300-800 vol. %) und der Elastizitätsmodul (E: 70 740 kPa) konnten dabei durch die systematische Veränderung der Quervernetzungsdichte eingestellt werden. Die Analyse der Quervernetzungsreaktion durch Modellreaktionen zeigte, dass die Stabilisierung der Hydrogele sowohl auf kovalente Quervernetzungen (3-13 mol.-%) als auch auf Grafting von (5-40 mol.-%) und Verblendung mit Oligoharnstoffen (16-67 mol.-%) zurückgeführt werden kann.
Die Erkenntnisse aus dem Umgang mit dem Bulk-Material wurden dann auf einen integrierten Prozess der Verschäumung und chemischen Quervernetzung transferiert, so dass poröse, dreidimensionale Scaffolds erhalten wurden. Dafür wurde eine wässrige Gelatinelösung in Gegenwart eines Tensids, Saponin, verschäumt, und durch chemische Quervernetzung mit einem Diisocyanat zu einem Scaffold fixiert. Die Scaffolds hergestellt mit unterschiedlichen Mengen HDI und Gelatine, wurden im trockenen Zustand mittels Mikro Computertomographie (µCT, Porosität: 65±11–73±14 vol.-%) und Rasterelektronenmikroskopie (SEM, Porengröße: 117±28–166±32) charakterisiert.
Anschließend wurden die Scaffolds unter Bedingungen charakterisiert, die für biomedizinische Anwendungen relevant sind. Die Scaffolds nahmen große Mengen Wasser auf (H: 630 1680 wt.-%) bei nur minimalen Änderungen der äußeren Dimensionen. Konfokale Laser Scanning Mikroskopie zeigte, dass die Wasseraufnahme zu einer verminderten Porengröße führte (115±47–130±49 µm), wodurch die Formstabilität erklärbar ist. Eine Formrückstellung der Scaffolds wurde beobachtet, wenn Scaffolds im nassen Zustand komprimiert wurden und dann entlastet wurden, während trockene Proben in der komprimierten Formen blieben (kalte Deformation). Dieses Entropie-elastische Verhalten der nassen Scaffolds konnte durch die Verminderung der Glasübergangstemperatur des Netzwerks nach Wasseraufnahme erklärt werden (DMTA). Die zusammensetzungsabhängigen Kompressionsmoduli (Ec: 10 50 kPa) waren mit den mikromechanischen Young’s moduli vergleichbar, die mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) gemessen wurden. Das hydrolytische Degradationsprofil konnte variiert werden, und während des Abbaus kam es nur zu kontrolliert-graduellen Änderungen der mechanischen Eigenschaften. Während der Degradation konnte ein Anstieg der mittleren Porengröße beobachtet werden, was durch das Verschmelzen von Poren durch den Abbau der Wände erklärt werden kann.
Die Endotoxinbelastung und die Zytotoxizität der Scaffolds wurden untersucht. Humane Haut-Fibroblasten wuchsen auf und innerhalb der Scaffolds (bis zu einer Tiefe von 90 µm). Indirekte Eluat-Tests mit L929 Mausfibroblasten wurden genutzt, um die Zytotoxizität der Materialien, insbesondere den Einfluss des Quervernetzertyps und des Tensids, zu bestimmen. Vollständig biokompatible Materialien wurden erzielt, wenn LDI als Quervernetzer und PEO40 PPO20-PEO40 als Tensid verwendet wurden. Durch den Einsatz von Gelatine mit geringem Endotoxin-Gehalt, und die Synthese in einer Sterilarbeitsblank konnten Materialien für medizinische Anwendungen (Endotoxin-Gehalt < 0.5 EU/mL) hergestellt werden.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:Potsdam/oai:kobv.de-opus-ubp:4972 |
| Date | January 2010 |
| Creators | Tronci, Giuseppe |
| Publisher | Universität Potsdam, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät. Institut für Biochemie und Biologie |
| Source Sets | Potsdam University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Text.Thesis.Doctoral |
| Format | application/pdf |
| Rights | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/ |
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