Characterisation of the mechanical properties, stability and biological potential of alginate/fucoidan hydrogels
Master thesis
Permanent lenke
https://hdl.handle.net/11250/3033964Utgivelsesdato
2022Metadata
Vis full innførselSamlinger
Beskrivelse
Full text not available
Sammendrag
Immunoisolerende terapier basert på å plassere hormonproduserende celler i beskyttende mikrokapsler har gjennom mange års forskning hatt stort potensiale som en funksjonell kur mot autoimmune sykdommer, slik som diabetes. Materialet som er mest forsket på til bruk i slike terapier er alginater, da de kan produsere inerte, biokompatible hydrogeler som er stabile under fysiologiske forhold. Det har likevel vært store utfordringer knyttet til transplantsvikt grunnet overvekst av bindevevsceller rundt mikrokapslene. Imidlertid har det blitt rapportert lovende resultater ved bruk av sulfaterte, heparin-liknende polysakkarider, slik som sulfaterte alginater, der reduserte mengder fibrose har blitt rapportert for implanterte mikrokapsler som inneholder slike materialer. På bakgrunn av dette er formålet med denne studien å undersøke de materielle egenskapene til alginat hydrogeler innblandet med det sulfaterte polysakkaridet fucoidan, da dette kan ha potensiale som et alternativt materiale til bruk i celleinkapsuleringsterapi.
Dette prosjektet hadde to hovedmålsettinger. Det første målet var å karakterisere de mekaniske egenskapene og saltstabiliteten til alginat/fucoidan hydrogeler. Det andre målet var å evaluere det inflammatoriske potensialet til disse gelene med hensyn på biologiske systemer som har blitt foreslått å være assosiert med fibrose.
I første del av prosjektet ble de mekaniske egenskapene til Ca2+-mettede alginat/fucoidan-geler med ulike konsentrasjoner av fucoidan undersøkt, hvor Young’s modulus, synerese, og spenning og deformasjon ved brudd ble betraktet. Oppførsel under lav og høy deformasjon ble karakterisert ved bruk av uniaksiale kompresjonsstudier. Resultatene indikerte at lave til moderate konsentrasjoner (0-0,5%) av fucoidan kan blandes inn i alginatgeler (1%) uten stor innvirkning på gelens mekaniske egenskaper. Ved tilførsel av høyere konsentrasjoner (0,6-1,0%) fucoidan ble svært sammentrykkbare geler med redusert Young’s modulus i forhold til rene alginatgeler observert. Etter å ha sammenliknet resultatene med tilsvarende kontrollgeler som var blandet med andre polysakkarider ble det foreslått at effekten av høy konsentrasjon fucoidan på gelenes mekaniske egenskaper skyldes fucoidans polyanioniske og/eller sulfaterte natur. Dette kan muligens være grunnet sekvestrasjon av kalsium i gelformasjonsprosessen. Kvantitativ elementanalyse av ionekonsentrasjon ved bruk av ICP-MS indikerte derimot ingen forskjeller i kalsiumkonsentrasjon når fucoidan ble tilført alginat.
Stabiliteten til både gelsylindere og mikroperler av alginat/fucoidan ble videre undersøkt ved bruk av konsekutive behandlinger med NaCl. Gelsylinderne og mikroperlene ble evaluert basert på deres størrelsesstabilitet. Endringer i Young’s modulus og lekkasje av materiale (analysert med 1H-NMR) ble i tillegg vurdert for gelsylinderne. Resultatene indikerte generelt noe lavere stabilitet i saltløsning for alginatgeler som var blandet med fucoidan, med unntak av Ca2+-gelatinerte mikroperler der fucoidankonsentrasjonen var 20%. Ingen åpenbar forklaring på dette resultatet kunne oppnås fra de evaluerte data. Inklusjon av Ba2+ i gelatineringsløsningen økte stabiliteten til alle undersøkte mikroperler betydelig. I siste del av prosjektet ble det inflammatoriske potensialet av alginat-mikroperler blandet med enten fucoidan eller sulfatert alginat vurdert. Dette ble gjort ved bruk av en menneskebasert helblodsmodell. Både fucoidan og sulfaterte alginat-mikroperler så ut til å stimulere koagulasjon og gi lav aktivering av komplementsystemet ved alle undersøkte polymerkonsentrasjoner.
Denne studien indikerte at høyt sulfaterte fucoidaner kunne blandes med alginat for å produsere hydrogeler med biologiske aktiviteter som er lovende med hensyn til fremtidige applikasjoner. Disse hydrogelene opprettholdt også i stor grad de mekaniske egenskapene og stabiliteten som vanligvis forbindes med rene alginat hydrogeler. Immunoisolation therapies based on placement of hormone-producing cells into protective microcapsules have through many years of research held great potential as a functional cure for autoimmune diseases such as diabetes. Alginates are the most researched material for this application, as they have been shown to form inert, biocompatible hydrogels that are stable under physiological conditions. However, major challenges have been linked to graft failure caused by overgrowth of fibrous cells surrounding the microcapsules. Promising results have been reported with the use of sulfated, heparin-like polysaccharides, such as sulfated alginates, where reduced levels of fibrosis have been observed for implanted microcapsules. For this reason, the aim of this study is to investigate the material properties of alginate hydrogels mixed with the sulfated polysaccharide fucoidan, as this may represent an alternative material for cell encapsulation purposes.
The aim of this project was divided into two objectives. The first was to characterise the mechanical gel properties and saline stability of alginate/fucoidan hydrogels. The second was to evaluate the inflammatory potential of such gels with regard to biological systems proposed to be associated with fibrosis.
In the initial stages of this study, the mechanical properties of different fucoidan concentrations of Ca2+-saturated alginate/fucoidan gels were evaluated with respect to Young’s modulus, syneresis and stress and strain at rupture. Small and large deformation behaviour was characterised using uniaxial compression measurements, and the obtained results indicated that low to moderate concentrations (0-0.5%) of fucoidan could be mixed into alginate (1%) gels without considerable effects on the mechanical gel properties. With addition of high concentrations (0.6-1%), highly compressible gels with reduced Young’s modulus relative to pure alginate gels were observed. After comparisons with control gels containing other polysaccharides, it was proposed that the influence on mechanical properties by high concentrations of fucoidan were due to the polyanionic and/or sulfated nature of this polysaccharide, possibly due to sequestration of calcium in the gel formation process. Quantitative element analysis of ion content using ICP-MS indicated however no differences in Ca2+ concentration when fucoidan was added to alginate.
The stability of both alginate/fucoidan gel cylinders and microbeads was further investigated by consecutive treatments with NaCl. Gel cylinders and microbeads were evaluated with regard to size stability, and the former was additionally characterized for changes in Young’s modulus and leakage of material (analysed with 1H-NMR). The obtained results indicated overall lower saline stability for alginate gels that were mixed with fucoidan, with a notable exception for Ca2+-gelled beads that contained 20% fucoidan. No obvious explanation for this result could be obtained from the evaluated data. Inclusion of Ba2+ in the gelling solution considerably increased the stability of all evaluated microbeads.
In the final stage of the study, the inflammatory potential of alginate microbeads mixed with either fucoidan or sulfated alginate was evaluated using a human whole blood model. Both fucoidan and sulfated alginate microbeads appeared to stimulate coagulation and yield low activation of the complement system, at all examined concentrations.
Overall, this study indicated that highly sulfated fucoidans could be successfully mixed with alginate, to create hydrogels with biological activities that are promising with regard to future applications, while maintaining to a sizable extent the mechanical properties and stability that are traditionally associated with pure alginate gels.