Up to today, a vast variety of hydrogels for applications in tissue engineering and regenerative medicine have been developed. However, only recently, an effective way of in vivo detection with a possibility to study degradation kinetics has been developed. In this study, a micro-CT contrast agent has been integrated within the structure of crosslinked hydrogels. The contrast agent was based on radiodense acrylamide monomer, i.e. 5-acrylamido-2,4,6-triiodoisophthalic acid (AATIPA). It showed that with increasing AATIPA concentration in the hydrogel, the detectability proportionally increased. Nevertheless, with increasing concentration of AATIPA above a certain threshold, the resulting materials lose their ability to be cell interactive. This could be attributed to the anionic nature of the monomer, containing two carboxylic acids on the aromatic ring. In this thesis, we explore the possibility of neutralizing the overall charge of the prepared materials by preparing zwitterionic hydrogels, known for their low cytotoxicity and broad spectrum of potential applications in medical science. In this study, we developed 12 different scaffolds: 6 with gelatin methacrylamide (GelMA) precursor and 6 with precursors having a further modification with methacrylate groups (GelMA-AEMA), while these were crosslinked with various proportions of cationic (METAC) and anionic (AATIPA) monomers. The resulting scaffolds are biocompatible, have tunable mechanical properties as the degree of stiffness, providing the possibility to promote tissue growth for a variety of cell types, from adipocytes to osteogenic cells. An ideal ratio between monomers has been determined, providing hydrogels with enhanced cell-interactive properties than the previous studies with the only anionic monomer. Their 3D printability was tested using indirect printing and two-photon polymerization (2PP) printing. At last, the detectability with micro-CT has been determined, moreover, an enhanced contrast has been obtained for zwitterionic hydrogels.
Attualmente è stata sviluppata una vasta gamma di hydrogels per applicazioni nell'ingegneria tissutale e nella medicina rigenerativa. Tuttavia, solo di recente è stato sviluppato un metodo efficace di rilevamento in vivo con la possibilità di studiare la cinetica di degradazione. In questo studio, un agente di contrasto micro-CT è stato integrato nella struttura degli hydrogels reticolati. L'agente di contrasto era basato su un monomero di acrilammide radiodenso, ovvero l'acido 5-acrilammido-2,4,6-triiodoisoftalico (AATIPA). Dai risultati è emerso che con l'aumento della concentrazione di AATIPA nell'idrogel, la rilevabilità aumentava proporzionalmente. Tuttavia, con l'aumento della concentrazione di AATIPA oltre una certa soglia, i materiali risultanti perdono la capacità di essere interattivi con le cellule. Ciò potrebbe essere attribuito alla natura anionica del monomero, contenente due acidi carbossilici sull'anello aromatico. In questa tesi, esploriamo la possibilità di neutralizzare la carica complessiva dei materiali creati, preparando hydrogels zwitterionici, noti per la loro bassa citotossicità e l'ampio spettro di potenziali applicazioni in campo medico. In questo studio abbiamo sviluppato 12 scaffold diversi: 6 con precursori di gelatina metacrilammide (GelMA) e 6 con precursori che hanno subito un'ulteriore modifica con gruppi metacrilati (GelMa-AEMA), poi abbiamo reticolato entrambi con varie proporzioni di monomeri cationici (METAC) e anionici (AATIPA). Gli scaffolds risultanti sono biocompatibili, hanno proprietà meccaniche modificabili4 (es. rigidità) cambiando le proporzioni die monomeri, offrendo così la possibilità di promuovere la crescita dei tessuti per vari tipi di cellule: dagli adipociti alle cellule osteogeniche. È stato determinato un rapporto ideale tra i monomeri che fornisce hydrogels con proprietà di interazione cellulare migliori rispetto agli studi precedenti con il solo monomero anionico. La possibilità di stamparli in 3D è stata testata utilizzando la stampa indiretta e la stampa con polimerizzazione a due fotoni (2PP). Infine, è stata determinata la rilevabilità con la micro-CT, ottenendo un contrasto maggiore per gli hydrogels zwitterionici.
Idrogeli ibridi zwitterionici basati su gelatina: incremento della radiopacità per imaging radiologico e applicazioni in ingegneria tissutale
CECCOLINI, CAMILLA
2022/2023
Abstract
Up to today, a vast variety of hydrogels for applications in tissue engineering and regenerative medicine have been developed. However, only recently, an effective way of in vivo detection with a possibility to study degradation kinetics has been developed. In this study, a micro-CT contrast agent has been integrated within the structure of crosslinked hydrogels. The contrast agent was based on radiodense acrylamide monomer, i.e. 5-acrylamido-2,4,6-triiodoisophthalic acid (AATIPA). It showed that with increasing AATIPA concentration in the hydrogel, the detectability proportionally increased. Nevertheless, with increasing concentration of AATIPA above a certain threshold, the resulting materials lose their ability to be cell interactive. This could be attributed to the anionic nature of the monomer, containing two carboxylic acids on the aromatic ring. In this thesis, we explore the possibility of neutralizing the overall charge of the prepared materials by preparing zwitterionic hydrogels, known for their low cytotoxicity and broad spectrum of potential applications in medical science. In this study, we developed 12 different scaffolds: 6 with gelatin methacrylamide (GelMA) precursor and 6 with precursors having a further modification with methacrylate groups (GelMA-AEMA), while these were crosslinked with various proportions of cationic (METAC) and anionic (AATIPA) monomers. The resulting scaffolds are biocompatible, have tunable mechanical properties as the degree of stiffness, providing the possibility to promote tissue growth for a variety of cell types, from adipocytes to osteogenic cells. An ideal ratio between monomers has been determined, providing hydrogels with enhanced cell-interactive properties than the previous studies with the only anionic monomer. Their 3D printability was tested using indirect printing and two-photon polymerization (2PP) printing. At last, the detectability with micro-CT has been determined, moreover, an enhanced contrast has been obtained for zwitterionic hydrogels.È consentito all'utente scaricare e condividere i documenti disponibili a testo pieno in UNITESI UNIPV nel rispetto della licenza Creative Commons del tipo CC BY NC ND.
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https://hdl.handle.net/20.500.14239/17026