Biodegradable hydrogels based on water-soluble chitosan for cell transplant

Abstract

[EN] The aim of tissue engineering is to develop functional biological substitutes to replace or restore damaged tissues by preparing three-dimensional scaffolds able to accommodate cells plus signaling factors to promote the regeneration of damaged tissue. There is a special interest in developing scaffolds that while providing a favourable environment for cells also possess a degradation rate that can be adapted to the tissue's rate of regeneration. Scaffolds should be porous and possess a pore morphology adapted to the application for which they are designed. They must also be able to hold large quantities of water (hydrogels) while presenting suitable cell/biomaterial interaction. The aim of this thesis is to create chitosan-based three-dimensional porous structures with tunable degradation rates with particular interest in fast degradation rate. Hydrogels of block-copolymer networks were prepared to crosslink the chitosan (CHT) or carboxymethyl chitosan (CmCHT) with either a hydrophobic polymer of low molecular weight, such as poly(ε-caprolactone), (PCL) or a hydrophilic polymer such as poly(ethylene glycol), (PEG). The hypothesis was that the degradation of the cross-linker polymer leaves behind large water-soluble polymer chains (protonated chitosan or carboxymethyl chitosan). However, in spite of chitosan's favourable properties, the polymer has relatively slow biodegradation times in enzymatic media that contain lysozyme and even slower in hydrolytic conditions. Chitosan's physical and chemical properties largely depend on its deacetylation degree (DD). In order to analyze these properties, chitosan was synthesized with various DD ranging from 85% to 45%. Water absorption was seen to rise rapidly as deacetylation was reduced. This would appear to contradict the fact that chitin water absorption (low DD) is much lower than that of chitosan. In order to understand this behaviour, it was analyzed the dependence of the degree of network swelling on the parameters determined by the Flory Rhener theory, the elastic properties of the network and the density of the cross-linking according to the sample's water content. The thermal stability of chitosan according to its DD was analysed by thermogravimetry. Different methods were applied to obtain the activation energy. Electrospinning was chosen as the porous membrane preparation technique as it provides thin membranes that can be handled with fiber sizes in the order of microns. The influence of the electrospinning and cross-linking processes on the thermal stability of chitosan was analyzed. Chitosan and carboxymethyl chitosan hydrogels covalently cross-linked with short chains of poly(ε-caprolactone), (PCL) and poly(ethylene glycol) (PEG) were synthesized. The formation of networks was confirmed by solubility tests with appropriate solvents for each polymer. Hydrogels that absorbed large quantities of water were obtained, with values that ranged between 90 and 5000%. The calorimetric tests together with the Studies on the kinetics of hydrolytic and enzymatic biodegradation showed three different systems: CmCHT-PEG system that can be classified as stable hydrogel, CHT-PCL system as semidegradable hydrogel and degradable hydrogels with degradation kinetics in the order of days for the CmCHT-PCL system. Finally, biological studies were carried out on porous CmCHT-PCL hydrogels. Mesenchymal stem cells (MSCs) from pig adipose tissue were then cultivated and the results showed that these networks can be used in the organism in tissue engineering applications with degradation times of around a week.

[ES] La ingeniería tisular tiene como finalidad desarrollar sustitutos biológicos funcionales que reemplacen o restauren los tejidos dañados. Se trata de preparar andamiajes tridimensionales (scaffolds) que sean capaces de albergar células y factores de señalización que favorezcan la regeneración del tejido dañado. Existe un especial interés en el desarrollo de scaffolds que proporcionando un entorno favorable a las células, tengan una tasa de degradación que se adapte a velocidad de regeneración del tejido. Los scaffolds deben ser porosos y poseer una morfología del poro adaptada a la aplicación para la que son diseñados. Deben ser capaces de albergar gran cantidad de agua (hidrogeles) al tiempo que presentan una interacción célula/biomaterial adecuada. El objetivo de esta tesis es el de crear estructuras porosas tridimensionales basadas en quitosano con velocidades de degradación ajustables con particular interés en velocidades de degradación altas. Se han preparado hidrogeles de redes de copolimeros en bloque entrecruzando el quitosano, (CHT) o el carboximetil quitosano, (CmCHT) con un polímero hidrófobo de bajo peso molecular como la poli(ε-caprolactona), (PCL) o bien con un polímero hidrófilo como es el poli(etilenglicol), (PEG). La hipótesis de trabajo fue que la degradación del polímero que actúa como entrecruzador debe dejar grandes cadenas del polímero (quitosano protonado o carboximetil quitosano) que son solubles en agua. A pesar de las buenas propiedades del quitosano, el polímero presenta tiempos de biodegradación bastante lentos en medio enzimático conteniendo lisozima y aún más lentos en condiciones hidrolíticas. Las propiedades físico-químicas del quitosano dependen en gran medida del grado de desacetilación, DD. Con el fin de analizar dichas propiedades se ha llevado a cabo la síntesis de quitosano con DD variando entre 85% y el 45%. Se ha comprobado que la absorción de agua aumenta rápidamente a medida que el grado de desacetilación disminuye. Esto parece contradecir el hecho de que la absorción de agua de la quitina (DD bajo) es mucho menor que la de quitosano. Para entender dicho comportamiento se han analizado los parámetros que determinan la teoría de Flory Rhener, las propiedades elásticas de la red y la densidad de entrecruzamiento en función del contenido en agua de la muestra. La estabilidad térmica del quitosano en función de DD ha sido analizada por termogravimetría. Se han aplicado diferentes métodos para obtener la energía de activación. Como técnica de preparación de membranas porosas se ha elegido el electrohilado, ya que permite obtener membranas delgadas y manipulables con tamaños de fibra del orden de micras. Se ha analizado la influencia de los procesos de electrohilado y entrecruzamiento en la estabilidad térmica del quitosano. Se han sintetizado hidrogeles de quitosano, y carboximetil quitosano entrecruzados covalentemente con cadenas cortas de poli(ε-caprolactona), y poli(etilenglicol). La formación de las redes se ha confirmado mediante ensayos de solubilidad con buenos solventes para cada polímero. En todos los casos se han obtenido hidrogeles que absorben gran cantidad de agua con valores que oscilan entre 90 y 5000%. Los estudios de las cinéticas de biodegradación tanto hidrolítica como enzimática revelan la obtención de tres sistemas que se pueden clasificar como hidrogeles estables, para los hidrogeles formados por CmCHT-PEG, hidrogeles semidegradables para el sistema CHT-PCL y finalmente hidrogeles degradables con cinéticas de degradación del orden de días, para el sistema CmCHT-PCL. Finalmente se ha llevado a cabo estudios biológicos de los hidrogeles porosos de CmCHT-PCL. Se realizaron cultivos con células mesenquimales del tejido adiposo de cerdo (MSCs). Los resultados han revelado que dichas redes pueden ser utilizadas como sistemas de liberación de células en el organismo con tiempos de degradación

[CA] L'enginyeria tissular té com a finalitat desenvolupar substituts biològics funcionals que reemplacen o restauren els teixits danyats. Es tracta de preparar suports tridimensionals (esquelets o scaffolds) que siguen capaços d'albergar cèl.lules i factors de senyalització que afavorisquen la regeneració del teixit danyat. Hi ha un interès especial en el desenvolupament d'esquelets que, proporcionant un entorn favorable a les cèl.lules, tinguen una taxa de degradació que s'adapte a la velocitat de regeneració del teixit. Els scaffolds han de ser porosos i han de tenir una morfologia del porus adaptada a l'aplicació per a la qual són dissenyats. Han de ser capaços d'albergar una gran quantitat d'aigua (hidrogels) alhora que presenten una interacció cèl.lula/biomaterial adequada. L'objectiu d'aquesta tesi és crear estructures poroses tridimensionals basades en quitosan amb velocitats de degradació sintonizables amb un interés particular de rutes de degradació altes. S'han preparat hidrogels de xarxes de copolímers en bloc entrecreuant el quitosan o el carboximetil quitosan amb un polímer hidròfob de baix pes molecular com la poli (ε-caprolactona), o bé amb un polímer hidròfil com és el poli (etilenglicol). Es tracta d'aconseguir que quan el polímer que actua com a entrecreuador es degrade, deixe grans cadenes del polímer (quitosan protronat o carboximetil quitosan) que són solubles en aigua. A pesar de les bones propietats del quitosan, el polímer presenta cinètiques de biodegradació lentes en condicions enzimàtiques quan conté lisozima i encara més lentes en condicions hidrolítiques. Les propietats fisicoquímiques del quitosan depenen en gran mesura del grau de desacetilació, DD. A fi d'analitzar aquestes propietats, s'ha dut a terme la síntesi de quitosan amb un DD que variava entre el 85% i el 45%. S'ha comprovat que l'absorció d'aigua augmenta ràpidament a mesura que el grau de desacetilació disminueix. Això sembla que contradiu el fet que l'absorció d'aigua de la quitina (DD baixos) és molt menor que no la de quitosan. Per a entendre aquest comportament s'ha analitzat la dependència del grau d'unflament de la xarxa amb els paràmetres que determina la teoria de Flory Rhener, les propietats elàstiques de la xarxa i la densitat d'entrecreuament en funció del contingut en aigua de la mostra. L'estabilitat tèrmica del quitosan en funció del DD ha sigut analitzada per termogravimetria. S'han aplicat diversos mètodes per obtenir l'energia d'activació. Com a tècnica de preparació de membranes poroses s'ha utilitzat l'electrofilatura, ja que permet obtenir membranes primes i manipulables amb grandàries de fibra de l'ordre de micres. S'ha analitzat la influència dels processos d'electrofilatura i entrecreuament amb l'estabilitat tèrmica del quitosan. S'han sintetitzat hidrogels de quitosan i carboximetil quitosan entrecreuats covalentment amb cadenes curtes de poli(ε-caprolactona) i poli(etilenglicol). La formació de les xarxes s'ha confirmat per mitjà d'assajos de solubilitat amb bons solvents per a cada polímer. En tots els casos s'han obtingut hidrogels que absorbeixen una gran quantitat d'aigua, compresa en valors que oscil.len entre el 90 i el 5.000%. Els estudis de les cinètiques de biodegradació tant hidrolítica com enzimàtica revelen l'obtenció de tres sistemes que es poden classificar com a hidrogels estables (per als hidrogels formats per CmCHT-PEG), hidrogels semidegradables (per al sistema CHT-PCL) i, finalment, hidrogels degradables amb cinètiques de degradació de l'ordre de dies (per al sistema CmCHT-PCL). Finalment s'ha dut a terme estudis biològics dels hidrogels porosos de CmCHT-PCL. Es van realitzar cultius amb cèl.lules mesenquimals del teixit adipós de porc (MSCs). Els resultats han revelat que aquestes xarxes poden ser utilitzades com a sistemes d'alliberament de cèl.lules en l'organisme amb temps de degradació de l'ordre d'una setm