Characterization and Utilization of Injectable Hydrogels for Tissue Engineering Applications

Abstract

Tissue engineering combines the knowledge of the engineering aspects with life sciences to improve human health. Recent studies in tissue engineering have focused on investigating biocompatible scaffold materials and design. Quince seed hydrogel(QSH) has been used in traditional and modern medicine for skin wound and burn treatments, synovial lubrication, cough and asthma removal, and oral drug delivery with its antioxidant potential and biocompatible aspects. This thesis focuses on developing QSH and evaluating its potential as an injectable hydrogel in treating bone tissue defects as a totally new tissue scaffold and also as a promising tissue filling material. For this purpose, QSH scaffold optimization was carried out using various concentrations of hydrogel and crosslinkers which were glutaraldehyde(GTA) and 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)carbodiimide(EDC)/N-hydroxysuccinimide(NHS). Morphological and chemical analysis of QSH was done using SEM, FTIR, AFM, and protein adsorption test. Thus, porosity, swelling ratio, degradation rate and surface characteristics were evaluated. NIH-3T3 and SaOS-2 cell lines were utilized for 3D cell culture formation. Afterward, 3D spheroids were analyzed for cell viability and proliferation by using AlamarBlue and LiveDead assays, and also cell imaging technics. Results showed that QSH scaffolds did not show any cytotoxic effect on NIH-3T3 and SaOS-2 cells. The optimum results were achieved with 2mg/mL of QSH and 0.03M GTA concentrations; where 76.59µm average pore size, 56.8 fold water holding capacity and at least 80% cell viability was observed. Therefore, it was concluded that QSH has a high potential to promote tissue engineering applications with its injectable texture as a filling material.

Doku mühendisliği, insan sağlığını iyileştirmek için yaşam bilimlerinin mühendislik temelleriyle bir araya getirilmesidir. Bu alanındaki güncel çalışmalar, biyouyumlu doku iskelesi malzemelerinin üretimi ve geliştirilmesi alanına odaklanmıştır. Ayva çekirdeği hidrojeli (AÇH), geleneksel ve modern tıpta cilt üstü yara ve yanık tedavileri, eklem arası yüzey kayganlaştırması, öksürük-astım tedavisi ve antioksidan potansiyeli, biyouyumlu özellikleri sayesinde oral ilaç taşınımı sistemlerinde kullanılmıştır. Bu tez, AÇH'nin geliştirilmesi ve elde edilen jelin kemik dokusu hasarlarında kullanılmak üzere, enjekte edilebilir hidrojel formunda tamamen yeni bir malzeme ve doku dolgu materyali olarak kullanım potansiyelinin incelenmesi konusuna odaklanmıştır. Bu amaçla, AÇH doku iskelesi, çeşitli jel ve çapraz bağlayıcı (GTA veya EDC/NHS) konsantrasyonları kullanılarak optimize edilmiştir. AÇH; SEM, FTIR ve AFM kullanılarak karakterize edilmiş, protein adsorpsiyonu, gözenekliliği, su tutma kapasitesi ve degradasyon kapasitesi değerlendirilmiştir. Ardından, NIH-3T3 ve SaOS-2 hücre hatları üstünde AlamarBlue, LiveDead testi ve hücre görüntüleme teknikleri kullanılarak in vitro canlılık analizleri gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, AÇH iskelelerinin NIH-3T3 ve SaOS-2 hücre hatları üstünde herhangi bir sitotoksik etkiye neden olmadığını göstermiştir. Karakterizasyon ve canlılık analizine bağlı olarak optimum sonuçlar 2 mg/mL hidrojel ve 0.03 M GTA çapraz bağlayıcı konsantrasyonu ile elde edilmiş olup, 76.59 µm ortalama por boyutu, 56.8 kat su tutma kapasitesi ve inkübasyon süresinin genelinde % 80'in üstünde hücre canlılığı elde edilmiştir. Tüm bunlara bağlı olarak, AÇH'nin, enjekte edilebilir özelliği ile kemik dokusu hasarlarında dolgu malzemesi olarak kullanılabilme potansiyeli olan, doku mühendisliği uygulamalarında büyük umut vadeden bir malzeme olduğu sonucuna varılmıştır.