Functionalization of alginate gels using G-block end-modification
Master thesis
Permanent lenke
http://hdl.handle.net/11250/2621736Utgivelsesdato
2019Metadata
Vis full innførselSamlinger
Sammendrag
Alginat er lineære co-polymerer bestående av (1-4)-linket beta-D-mannuronsyre (M) og dets C5 epimer alpha-L-guluronsyre (G). Monomerene kan eksistere som homopolymeriske blokker (Mblokker eller G-blokker) eller som alternerende M- og G-enheter (MG-blokker). Bruk av alginat i vevs-teknologi er av interesse på grunn av alginatets lave toksisitet og evne til å danne hydrogeler i nærvær av divalente ioner. Viktige kriterier hydrogelen må møte for å fungere optimalt ved bruk i vevs-teknologi inkluderer blant annet mekaniske egenskaper og biologiske parameter som celleadhesjon. Det rikelige antallet frie hydroksyl og karboksylgrupper langs alginatkjeden gjør det mulig å modifisere alginatet for å endre dets egenskaper. Ved å kovalent koble sekvenser ansvarlig for celleadhesjon til alginatkjeden vil overlevelsen og funksjonaliteten til celler i kontakt med hydrogelen forbedres.
Målet med denne oppgaven var å koble to ulike molekyler (MeOTyr og aminooxy-PEG5-azide) til den reduserende enden av isolerte G-blokker ved bruk av reduktiv aminering i et forsøk på å funksjonalisere alginat hydrogeler mikset med frie G-blokker. Effekten frie G-blokker ilegger de mekaniske egenskapene til alginatgeler med varierende sammensetning og kalsiumkonsentrasjon har blitt studert. Ion-selektive elektrodemålinger (ISE) ga innsikt i frigjørelsen av Ca2+ fra CaCO3 over tid og effektiviteten av kryssbinding mellom Ca2+ og alginatkjeden, både med og uten frie G-blokker. Graden av synerese til alginat hydrogeler ble undersøkt ved å variere mengden kalsium og frie G-blokker tilsatt. Til slutt ble det undersøkt hvorvidt kjemiskmodifisering av G-blokker påvirker gelstyrken.
Resultatene indikerte at substitusjonsgraden var avhengig av nukleofilisiteten og pKa verdien til primæraminet på molekylet som ble koblet. Mens den maksimale substitusjonsgraden var 5.3% med 20 ekvivalenter av MeOTyr, ble en substitusjonsgrad på 95-100% oppnådd med 2 ekvivalenter av aminooxy-PEG5-azide. Resultatene viste at G-blokker reduserte gelstyrken til alginat ved 15 mM og 22.5 mM CaCO3 konsentrasjon. Ved 50 mM CaCO3 konsentrasjon økte gelstyrken til alginatgeler etter G-blokk ble tilsatt. Dette indikerte en promoterende effekt av G-blokker på gelstyrken. En delvis kollaps av gel-nettverket ved høy Ca2+ konsentrasjon, observert som en rask reduksjon i gelstyrken, førte derimot til problemer med å få pålitelige resultater. ISE målinger indikerte at større mengder Ca2+ tilgjengelig i tidlige faser og ved tilsynelatende likevekt førte til en økning i gelstyrken og i graden av synerese. Synerese økte for økende Ca2+ konsentrasjon og ble redusert da G-blokker ble tilsatt. Ingen signifikant endring i gelstyrken ble observert for hydrogeler med kjemiske modifiserte G-blokker sammenlignet med G-blokker som ikke var modifisert.
Kjemisk modifisering av den reduserende enden til G-blokker ved bruk av aminooxy-PEG5-azide som en linker er et lovende første steg for kobling av DBCO-funksjonaliserte peptider, hvor delvis oksidering av alginatkjeden unngås. Funksjonaliserte G-blokker kan videre bli brukt i hydrogeler hvor G-blokker vil redusere graden av synerese og øke gelstyrken, dersom Ca2+ konsentrasjonen er høy nok. Alginates are linear copolymers consisting of (1-4)-linked beta-D-mannuronic acid (M) and its C-5 epimer alpha-L-guluronic acid (G). The monomers can appear as homopolymeric blocks (M-blocks or G-blocks) or as alternating M and G-residues (MG-blocks). Use of alginate in tissue engineering purposes is of interest due to its low toxicity and ability to form hydrogels in the presence of divalent ions. Important criteria the hydrogel must meet for use in tissue engineering include mechanical properties and biological parameters, such as cell adhesion. The abundance of free hydroxyl and carboxyl groups distributed along the alginate chain allows for modification of the alginate to alter their characteristics. By covalently coupling motifs responsible for cell adhesion to the alginate chain, the survival and functionality of cells in contact with the hydrogel can be improved.
The scope of this study was to couple two different molecules (MeOTyr and aminooxy-PEG5-azide) to the reducing ends of isolated G-blocks using reductive amination in an attempt to functionalize alginate hydrogels mixed with free G-blocks. The effects free G-blocks have on the mechanical properties of alginate gels with different chemical compositions and calcium concentrations were studied. Ion-selective electrode measurements provided insight into the time-course release of Ca2+ from CaCO3 and the efficiency of Ca2+ cross-linking with alginate, both in the presence and absence of free G-blocks. The degree of syneresis of alginate hydrogels was investigated by varying the amount of calcium and free G-blocks added. Last, the effect of chemical modification of G-blocks in terms of gel strength was evaluated.
The results indicated that the degree of substitution (DS) achieved was highly dependent on the nucleophilicity and the pKa values of the primary amine on the coupled molecule. While the maximum DS achieved was 5.3% using 20 equivalents of MeOTyr, a DS of 95-100% was obtained using 2 equivalents of aminooxy-PEG5-azide. The gel strength of alginate hydrogels is shown to be compromised by the addition of G-blocks for 15 mM and 22.5 mM Ca2+ concentrations. At 50 mM Ca2+, addition of G-blocks increased the gel strength of the alginate samples. This indicated a promotive effect of G-blocks in terms of gel strength. However, a partial network collapse at high Ca2+ concentrations, macroscopically revealed by a rapid decrease in gel strength, lead to problems with obtaining reliable results. ISE measurements indicated that higher amounts of Ca2+ available in early phases and at apparent equilibrium lead to an increase in gel strength and in the degree of syneresis. The degree of syneresis was observed to reduce upon addition of G-blocks. No significant change in gel strength was observed for hydrogels with chemically modified G-blocks compared to non-modified G-blocks.
G-block end-modification using aminooxy-PEG5-azide as a linker is a promising first step towards coupling of peptides avoiding the need for partial oxidation of the alginate. Functionalized G-blocks may further be used in mixed hydrogels where the G-blocks will reduce the degree of syneresis and enhance the equilibrium gel strength, if the Ca2+ concentration is sufficiently high.