Studie polymerních hydrogelových scaffoldů plněných vápníkem pro regeneraci kostní tkáně

Probal Basu, M.Sc.

Doctoral thesis

Study on Calcium Reinforced Polymeric Hydrogel Scaffolds for Bone Tissue Regeneration

Abstract:

Treatments for unwanted bone fractures have different limitations like potential infection risks and requirement of secondary surgery. Polymeric tissue engineering scaffold material can be a suitable alternative treatment device for the bone tissue regeneration due to its excellent biocompatibility, mechanical property and degradability. This thesis reports the preparation and characterization of novel calcium reinforced bacterial cellulose (BC) based hydrogel scaffolds for its possible application in bone tissue regeneration. The scaffolds were developed by using a combination of natural polymer, BC and other synthetic polymers like polyvinylpyrrolidone (PVP), polyethylene glycol (PEG). The scaffolds were prepared in two forms. First, calcium phosphate (CaP) reinforced BC based hydrogel scaffolds were prepared, where CaP was used in the form of "beta"-tri calcium phosphate ("beta"-TCP) and hydroxyapatite (HA) in different concentrations. Second, calcium phosphate & calcium carbonate reinforced BC based hydrogel scaffolds were prepared through template mediated in vitro biomineralization of CaP filled BC based hydrogel scaffolds. The structural properties (physiochemical, morphological, mechanical and/or viscoelastic characterization) indicated the CaP reinforced scaffolds have demonstrated significant swelling ability, suitable porosity and other mechanical and viscoelastic properties. Furthermore, functional properties (involving the biocompatibility, cell viability, cell-biomaterial interaction and bone marker expression) indicated their better efficiency for bone tissue regeneration. Thus, the CaP reinforced BC based hydrogel scaffolds (BC-PVP-"beta"-TCP/HA_20:80 and BC-PVP-"beta"-TCP/HA_50:50) are recommended for further analysis (e.g. in vivo study) and application in soft bone tissue (ie. cancellous bone) regeneration.

Abstract:

Léčba nežádoucích zlomenin se potýká s celou řadou problémů jako jsou infekce či další následné vynucené chirurgické zákroky. Pro řešení těchto případů se s výhodou dají použít polymerní scaffoldy, které dokáží vylepšit regeneraci kostní tkáně. Polymerní scaffoldy mají totiž vynikající biokompatibilitu, vhodné mechanické vlastnosti a jsou dobře odbouratelné v tkáni. Tato práce se zabývá přípravou a charakterizací nových polymerních hydrogelových scaffoldů na bázi bakteriální celulózy (BC) plněné vápníkem, jejichž úkolem je zvýšit regeneraci poškozené kostní tkáně. Byly připraveny scaffoldové kompozice na bázi BC a syntetických polymerů polyvinylpyrrolidonu (PVP) a polyethynglykolu (PEG) ve dvou kombinacích. V prvním případě byly použity hydrogelové scaffoldy na bázi BC plněné/vyztužené fosfátem vápenatým (CaP), kde CaP byl ve formě beta-tri-fosfosfátu vápenatého ("beta"-TCP) a hydroxyapatitu (HA) v různých koncentracích. Druhou kombinaci tvořily hydrogelové scaffoldy na bázi BC plněné fosfátem vápenatým/uhličitanem vápenatým, které byly připraveny in vitro biomineralizací hydrogelového scaffoldu na bázi BC plněné CaP. Strukturální vlastnosti (fyzikálně-chemické, morfologické, mechanické a viskoelastické) naznačují, že scaffoldy plněné CaP mají značnou schopnost bobtnání, mají vhodnou pórovitost, a další mechanické a viskoelastické vlastnosti. Kromě toho výsledky testů funkčních vlastností, zahrnující biokompatibilitu, životaschopnost buněk, interakci buněk a biomateriálů (prostřednictvím studie SEM) a expresi kostních markerů (pomocí ALP analýzy) ukázaly lepší účinnost při regeneraci kostní tkáně. Na základě zjištěných poznatků lze hydrogelové scaffoldy na bázi BC vyztužené CaP (BC-PVP-"beta"-TCP / HA_20: 80 a BC-PVP-"beta"-TCP / HA_50: 50) doporučit k další analýze (např. Studiem in vivo) a případně použít navržený scaffold pro regeneraci měkkých (spongiózních) kostí.

Keywords

Bakteriální celulóza, hydrogelové scaffoldy, fosforečnan vápenatý, inženýrství kostní tkáně

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 5. 8. 2020

Thesis defence

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Technology of Macromolecular Compounds