Development of Keratin Based Hydrogel Systems

Abstract

In this study, keratin proteins from Merino sheep wool were obtained via oxidative extraction (Chapter 2), sulfitolysis extraction (Chapter 3) and sulfitolysis with reductive extraction methods (Chapter 4). Keratin proteins were characterized XRD and FTIR spectroscopy and thermal analysis. In the SDS-PAGE gel results of the keratins diffusive protein bands between ~23 kDa and >170 kDa and a discrete band at about 12 kDa were observed confirming highly polydisperse nature of the protein samples. Then, keratin-based hydrogel systems were obtained via different methodologies. In Chapter 2, oxidized keratins (keratoses) were crosslinked with THPC to form keratose hydrogels. Effect of the amount of the crosslinking agent on the viscoelastic, swelling, and morphological properties of hydrogels was investigated. In Chapter 3, the keratin hydrogels were obtained via reformation of disulfide bridge and self-assembly of the keratin chains. In Chapter 4, keratins reduced with DTT were crosslinked with 2000 Da PEG-(C2H4-mal)2 and 6000 Da PEG-(C2H4-mal)2 to prepare PEG-hydrogels. Storage moduli of the hydrogels were obtained in the range of 63 ± 22 and 2613 ± 254 Pa and were shown to be tuned by the amount and chain length of the crosslinker. The highest swelling ratios were obtained for the THPC crosslinked hydrogels whereas the highest pore size was observed in PEG-keratin hydrogels. Cytocompatibility of the keratin based hydrogel systems was confirmed using L929 mouse fibroblast cells by applying CCK-8 tests. Of these hydrogels, PEG-keratin hydrogels were found to support cell proliferation with a higher rate than empty TCPS wells up to 4 days. These results demonstrate that low-cost keratin-based hydrogels can be used in a variety of biomedical applications, such as drug delivery systems for cancer therapy, and scaffolds in wound healing and soft tissue engineering.

Bu çalışmada, Merinos koyun yününden oksidatif ekstraksiyon (Bölüm 2), sülfitoliz ekstraksiyon (Bölüm 3) ve sülfitoliz ve indirgeyici ekstraksiyon yöntemleriyle (Bölüm 4) keratin proteinleri elde edilmiştir. Keratin proteinleri, XRD ve FTIR spektroskopisi ve termal analiz ile karakterize edilmiştir. SDS-PAGE jel sonuçlarında, ~23 kDa ile >170 kDa arasındaki keratin yayılımlı protein bantları ve yaklaşık 12 kDa'da ayrı bir bant gözlenmiş ve protein numunelerinin yüksek oranda polidispers doğası doğrulanmıştır. Daha sonra farklı metodolojiler ile keratin bazlı hidrojel sistemleri elde edilmiştir. Bölüm 2'de, oksitlenmiş keratinler (keratoz), keratoz hidrojelleri oluşturmak için THPC ile çapraz bağlanmıştır. Çapraz bağlayıcı ajan miktarının hidrojellerin viskoelastik, şişme ve morfolojik özellikleri üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Bölüm 3'te, keratin hidrojelleri, disülfid köprüsünün reformasyonu ve keratin zincirlerinin kendiliğinden düzenlenmesi ile elde edilmiştir. 4. Bölümde, PEG-hidrojelleri hazırlamak için DTT ile indirgenen keratinler, 2000 Da PEG-(C2H4-mal)2 ve 6000 Da PEG-(C2H4- mal)2 ile çapraz bağlanmıştır. Hidrojellerin depolama modülleri 63 ± 22 ve 2613 ± 254 Pa aralığında elde edilmiş ve çapraz bağlayıcının miktarına ve zincir uzunluğuna göre ayarlanabildiği gösterilmiştir. En yüksek şişme oranları THPC çapraz bağlı hidrojellerde elde edilirken, en yüksek gözenek boyutu PEG-keratin hidrojellerinde gözlenmiştir. Keratin bazlı hidrojel sistemlerinin sito-uyumluluğu, CCK-8 testleri uygulanarak L929 fare fibroblast hücreleri kullanılarak doğrulanmıştır. PEG-keratin hidrojellerinin, 4 güne kadar boş TCPS kuyularından daha yüksek oranda hücre çoğalmasını desteklediği bulunmuştur. Bu sonuçlar, düşük maliyetli keratin bazlı hidrojellerin, kanser tedavisi için ilaç taşıyıcı sistemleri ve yara iyileşmesi ve yumuşak doku mühendisliğinde yapı iskelesi gibi çeşitli biyomedikal uygulamalarda kullanılabileceğini göstermektedir.