Gellan gum-based hydrogels for tissue engineering applications

Abstract

The use of hydrogels as platforms for Tissue Engineering and Regenerative Medicine approaches has been growing in the past years. Their resemblance to the natural extracellular matrix, and facility to modify and tailor their final properties are some of the aspects that appeal researchers around the world to use this type of material. Different hydrogel sources have been exploited and processed using different methodologies, resulting in different structures that can be tailored for the intended application. Indeed, cell-material interactions can be adjusted by using distinct hydrogel designs, processing methods or sources. One of the natural materials that has been considered for Tissue Engineering and Regenerative Medicine strategies is gellan gum. This natural polymer has been used for different applications over the last years, on its natural form or after chemical modifications. Among such modifications, gellan gum methacrylation already showed promising results on Tissue Engineering. Nevertheless, the impact of the crosslinking and processing strategies used with the material are still not well established. This thesis aimed to highlight the versatility of this polymer, achieved by using different crosslinking strategies. Ionic crosslinking with calcium chloride, one of the most used methods to prepare gellan gum hydrogels, were firstly considered envisioning bone tissue engineering. Ionic crosslinking was also used to prepare traceable hydrogels, taking advantage of the affinity of methacrylated gellan gum to the divalent paramagnetic manganese ion. The ionic-responsive property of gellan gum allowed a minimally invasive administration of gellan gum in the vicinities of the central nervous system, as well as the desired traceability. At last, a different strategy was used to obtain hydrogels with immunoprotective capabilities, intended to be used on immunoisolation strategies. Polyelectrolyte complexation of gellan gum with poly l-lysine yielded a semipermeable membrane, capable of blocking the passage of the immune cells towards the hydrogel core, where therapeutic cells are encapsulated. Altogether, the different approaches used on the scope of this thesis showed the versatility of methacrylated gellan gum and the importance of carefully chose the crosslinked methodology to prepare hydrogels, as they greatly influence final hydrogel behaviour.

O uso de hidrogéis como plataformas para a Engenharia de Tecidos e Medicina Regenerativa tem vindo a crescer nos últimos anos. A semelhança com a matriz extracelular natural, assim como a facilidade em modificar e adaptar as suas propriedades finais, são alguns dos fatores que levam à utilização deste tipo de material. Hidrogéis provenientes de diferentes fontes foram já explorados, e processados usando diferentes metodologias, resultando em diferentes estruturas que podem ser personalizadas para a aplicação pretendida. De facto, as interações entre células e materiais podem ser ajustadas usando hidrogéis preparados com diferentes métodos ou formas de processamento. Um dos materiais naturais considerados para as estratégias de Engenharia de Tecidos e Medicina Regenerativa é a goma gelana. Este polímero natural tem sido utilizado para diferentes aplicações ao longo dos últimos anos, na sua forma natural ou após modificações químicas. Entre essas modificações, a metacrilação da goma gelana já apresentou resultados promissores em Engenharia de Tecidos. No entanto, o impacto das estratégias de reticulação e processamento usadas no material, ainda não está bem estabelecido. Esta tese teve como objetivo destacar a versatilidade deste polímero, pelo uso de diferentes estratégias de reticulação. Inicialmente, foi considerada a reticulação iónica com cloreto de cálcio, um dos métodos mais utilizados para a preparação de hidrogéis de goma gelana, para aplicação em regeneração óssea. A reticulação iónica foi também usada para preparar hidrogéis rastreáveis, aproveitando a afinidade da goma de gelana metacrilada com o manganês, um ião divalente paramagnético. A reticulação da goma gelana na presença de iões permitiu uma administração minimamente invasiva do material nas proximidades do sistema nervoso central, bem como a rastreabilidade desejada. Finalmente, uma estratégia diferente foi usada para obter hidrogéis com capacidade imunoprotetora, destinados a ser usados como immunoproteção. Complexos de polieletrólitos formados pela interação da goma de gelana com poli-L lisina originaram uma membrana semipermeável, capaz de bloquear a passagem das células do sistema imunitário em direção ao núcleo de hidrogel, onde as células com fins terapêuticos são encapsuladas. Em suma, as diferentes abordagens utilizadas no contexto desta tese mostraram a versatilidade da goma de gelana metacrilada e a importância de escolher cuidadosamente a metodologia de reticulação para preparar hidrogéis, pois estas têm grande influência no comportamento final do hidrogel.