Bio-interactive hydrogels for regenerative medicine

Abstract

Kritischer Knochenverlust, verursacht durch Krankheiten oder Unfälle, stellt eine große Herausforderung für das Regenerationspotenzial des Knochens dar und beeinträchtigen den Heilungsprozess und somit das funktionelle Ergebnis des Patienten erheblich. Zur Unterstützung der Heilung und zur Vermeidung von Komplikationen werden in der regenerativen Medizin Knochenimplantate als gängige Behandlungsstrategie eingesetzt. Mit zunehmender Größe dieser künstlichen Implantate wird jedoch ihre Integration in den Körper zu einer erheblichen Herausforderung, da der Transport lebenswichtiger Nährstoffe und biologischer Wirkstoffe sowie das Einwachsen von Zellen erschwert oder sogar verhindert werden. Effektives Tissue Engineering erfordert die Entwicklung von Gerüststrukturen, die eine Balance zwischen den notwendigen mechanischen Eigenschaften und den essentiellen biochemischen Faktoren für eine optimale Knochenregeneration herstellen.Ziel dieser Arbeit war daher die Entwicklung biointeraktiver Hydrogele, die die Integration künstlicher 3D-gedruckter Knochengerüste verbessern können. Das zentrale Konzept bestand darin, Wachstumsfaktoren bzw. bioaktive Moleküle in vernetzte Gerüste einzubringen, um so die Knochenregeneration zu fördern und die Osseointegration zu verbessern. Als Ausgangsmaterialien wurden hierfür biobasierte Materialien ausgewählt, da sie die Eigenschaften des natürlichen Knochens gut nachahmen können. Der erste Abschnitt konzentrierte sich auf Hydrogele, die aus dezellularisiertem Knochenlysat (BL) gewonnen wurden, um die Vorteile von homologem Gewebe gegenüber heterologen Gerüsten zu nutzen. Der zweite Teil zielte auf Hydrogele auf der Grundlage von menschlichem Thrombozytenlysat (PL) als Hauptbaustein ab, da dieses aufgrund seines bemerkenswerten zellinstruktiven und regenerativen Potenzials in Bezug auf Biointegration und Wundheilung hervorsticht. Darüber hinaus basiert PL auf Serumalbumin (~40 % des Gesamtproteingehalts) und bietet daher Thiol-Endgruppen. Diese machen das Material besonders interessant, da sie auf natürliche Weise die Bildung von vernetzten Hydrogele durch die radikalische Thiol-En-Reaktion unterstützen können. Während diese Lysate eine Vielzahl biochemischer Komponenten für eine verbesserte Geweberegeneration bieten, besitzen sie jedoch schwache mechanischen Eigenschaften. Daher wurde der Schwerpunkt auf die Entwicklung neuer photopolymerisierbarer Hydrogele gelegt, indem eine Bibliothek von Materialien auf Lysatbasis synthetisiert wurde. Verschiedene Vernetzungsstrategien wurden in einer umfassenden in situ Photorheologiestudie eingehend untersucht, wobei der Einfluss neuartiger Modifikationen auf die Photoreaktivität und die Materialarchitektur analysiert wurde. Insbesondere mit Allyl- und Norbornengruppen modifiziertes PL zeigte eine bemerkenswerte Reaktivität, da die inhärenten Thiolgruppen des PL-Backbones die Vernetzung ohne einen zusätzlichen Thiol En Vernetzer unterstützten. Darüber hinaus wurden eine Proteinauslaug-Analyse sowie in vitro und in vivo Studien durchgeführt, um die biologische Leistungsfähigkeit und Anwendbarkeit der neu entwickelten biobasierten Hydrogelplattform zu unterstreichen. Diese umfassenden Untersuchungen unterstrichen das Potenzial neuartiger biobasierte, photovernetzbarer Hydrogele, einen erheblichen Fortschritt im Bereich des Knochen-Tissue Engineerings darzustellen.

Critical size bone defects pose great challenges to the bone's regeneration potential and profoundly impact healing processes and consequently the patient’s functional outcome. Bone implants are a common strategy in regenerative medicine to overcome these complications. However, as the size of these artificial scaffolds increases, integrating them into the body becomes significantly challenging, hindering the transport of vital nutrients, biological agents, and the ingrowth of cells. For effective bone tissue engineering the development of scaffolds that balance the necessary mechanical properties with the essential biochemical cues for optimal regeneration is required. Thus, this thesis aimed for the development of biointeractive hydrogels, which potentially improve the integration of artificial 3D-printed bone scaffolds. The central concept involved incorporating growth factors or bioactive molecules into these scaffolds to potentially boost bone regeneration and enhance osseointegration. Therefore, bio-based materials were chosen as starting materials due for their potential to closely mimic natural bone characteristics. The first part of this work focused on hydrogels derived from decellularized bone lysate (BL), leveraging the effectiveness of homologous tissues over heterologous scaffolds. The second part aimed for hydrogels based on human platelet lysate (PL) as the main building block, known for its remarkable regenerative potential regarding biointegration and wound healing. Additionally, PL is based on serum albumin (~ 40% of the total protein content) and hence offers thiol end groups. These make the material particularly interesting because they may naturally support the formation of crosslinked hydrogel networks via free radical thiol-ene reaction.While neat lysates offer a variety of biochemical components for improved tissue regeneration, they generally suffer from weak mechanical properties. Hence, the focus was set on developing several new photopolymerizable hydrogels by synthesizing a library of lysate based materials. Different crosslinking strategies were thoroughly investigated via an extensive in situ photorheology study, analyzing the influence of novel modifications regarding photoreactivity and material architecture. In particular, PL modified with allyl and norbornene groups demonstrated remarkable reactivity, as the inherent thiol groups in the PL backbones supported crosslinking without the need for an additional thiol-ene agent. Furthermore, a protein leaching analysis and both in vitro and in vivo studies were performed to assess the biological performance and applicability of the newly developed biobased hydrogel platform. These comprehensive investigations underscored the potential of novel bio-based photocrosslinkable hydrogels to significantly advance in the field of bone tissue engineering by offering enhanced regenerative capabilities along with improved mechanical properties.