Injektovatelné polysacharidové hydrogely připravované metodou zmrazování-rozmrazování pro biomedicínské aplikace a 3D biotisk

Injectable Freeze-Thaw Polysaccharide Hydrogels for Biomedical Applications and 3D Bioprinting

Abstrakt

Hydrogely jsou v biomedicínských aplikacích hodně využívány díky své vysoké absorpční kapacitě a schopnosti napodobovat extracelulární matrix (ECM), čímž podporují růst, diferenciaci a proliferaci buněk. Jejich příprava zahrnuje použití syntetických nebo přírodních polymerů, přičemž polysacharidy, jako je karboxymethylcelulóza (CMC), jsou obzvláště výhodné pro svou biokompatibilitu, biodegradabilitu a ekonomickou efektivitu. Tato studie se zaměřuje na vývoj hydrogelů na bázi CMC modifikovaných polyvinylalkoholem (PVA) za účelem zlepšení jejich mechanických a viskoelastických vlastností. Tuhost výsledného materiálu lze řídit volbou molekulové hmotnosti PVA a úpravou poměrů vstupních složek. Další optimalizace je dosaženo síťováním metodou opakovaného zmrazování a rozmrazování (freeze-thaw), což usnadňuje tvorbu uzlových bodů v polymerní síti. Počet cyklů přímo ovlivňuje konečné vlastnosti hydrogelu. Hydrogely připravené s nízko- a středněmolekulárním PVA vykazovaly dobrou injektabilitu a adhezi, díky čemuž jsou obzvláště vhodné pro aplikace v oblasti 3D tisku. Studie zahrnuje komplexní charakterizaci fyzikálních, chemických a biologických vlastností modifikovaných hydrogelů a hodnotí jejich vhodnost pro 3D biotisk. Byly provedeny gravimetrické testy stability k identifikaci nejstabilnějších modifikací, které byly následně podrobeny reologické analýze. Pro stanovení biokompatibility a bezpečnosti hydrogelů byly provedeny testy cytotoxicity na buněčných kulturách. Cílem této optimalizace bylo vyvinout hydrogel, který nejen imituje vlastnosti ECM, ale je také vhodný pro 3D biotisk. Uměle připravené matrice mají potenciální uplatnění jako substráty pro monitorování růstu buněk a další biomedicínské účely.

Hydrogels are widely used in biomedical applications due to their high absorption capacity and ability to mimic the extracellular matrix (ECM), thereby supporting cell growth, differentiation, and proliferation. Their preparation involves the use of synthetic or natural polymers, with polysaccharides such as carboxymethyl cellulose (CMC) being particularly advantageous due to their biocompatibility, biodegradability, and cost-effectiveness. This study focuses on the development of CMC-based hydrogels modified with polyvinyl alcohol (PVA) to enhance their mechanical and viscoelastic properties. The stiffness of the resulting material can be tailored by selecting the molecular weight of PVA and adjusting the ratios of the input components. Further optimization is achieved through cross-linking via the freeze-thaw method, which facilitates the formation of junction points within the polymer network. The number of cycles directly influences the final properties of the hydrogel. Hydrogels prepared with low and medium-molecular-weight PVA exhibited good injectability and adhesion, making them particularly suitable for 3D printing applications. The study includes a comprehensive characterization of the physical, chemical, and biological properties of the modified hydrogels and evaluates their suitability for 3D bioprinting. Gravimetric stability tests were conducted to identify the most stable modifications, which were subsequently subjected to rheological analysis, and to determine the biocompatibility and safety of the hydrogels, cytotoxicity tests were carried out using cell cultures. The aim of this optimization was to develop a hydrogel that not only mimics ECM properties but is also suitable for 3D bioprinting. Artificially prepared matrices have potential applications as substrates for cell growth monitoring and other biomedical uses.

hydrogely, CMC, ECM, 3D tisk, stabilita, injekční schopnost, optimalizace, PVA

hydrogels, CMC, ECM, 3D printing, stability, injectability, optimization, PVA

Gabriela Konečná, Jana Brtníková, Tomáš Kaško, Sahar Dinparvar, Ivana Chamradová, Monika Trudičová, Lucy Vojtová

České vysoké učení technické v Praze

Praha 2025

978-80-01-07464-0

Biomateriály a jejich povrchy XVIII.

12

98

https://www2.irsm.cas.cz/ext/biomaterialy/download/BIOMATERIALY_A_JEJICH_POVRCHY_XVIII.pdf