Polyrotaxane Effects on Characteristics of Injectable Gelatin/PEG Hybrid Hydrogels
- 주제(키워드) gelatin , polyrotaxane , hybrid hydrogel , enzymatic cross-linking , tunable mechanical strength
- 주제(DDC) 547
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 박기동
- 발행년도 2023
- 학위수여년월 2023. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 분자과학기술학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000032482
- 본문언어 영어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
Tough hydrogels have recently received attention and have been applied as biomaterials in tissue engineering, as they provide an environment that is similar to that of the extracellular matrix and can endure external physical forces. Gelatin, a biopolymer originating from collagen, is widely used in biomaterials because of its biocompatible and cell-adherent properties. However, the poor mechanical properties of gelatin hydrogels have limited their use as tissue scaffolds. To overcome these limitations, hybrid hydrogels incorporating synthetic polymers, particularly polyrotaxanes (PRXs), have been developed. PRXs, which are supramolecular polymers composed of a chain polymer, such as poly (ethylene glycol) (PEG) threaded into cyclic molecules α-cyclodextrins (α-CDs), can confer molecular mobility and hydrogen bonds by abundant hydroxyl groups in α-CDs to polymeric hydrogels to improve their mechanical properties. However, preformed hydrogels are not ideal for tissue replacement because they cannot completely cover injured tissues, such as injectable hydrogels. In this study, we developed injectable α-CD incorporated PEG/gelatin hybrid hydrogels and evaluated whether they have tunable physicochemical properties for biomedical applications. For enzymatic cross-linking of PRX, phenol-functionalized PEG (PT) was synthesized, onto which various concentrations of α-CDs (0–7.5 wt%) were threaded. The PRX was hybridized with phenol-functionalized gelatin (GH) to form PRX/gelatin hybrid hydrogels using horseradish peroxidase/hydrogen peroxide. The gelation time of hybrid hydrogels was controllable by manipulating the horseradish peroxidase concentration (18.7–249 s), and the swelling ratio decreased as the α-CD concentration was increased (1459% to 800.6%). The mechanical properties of hydrogels were greatly enhanced as the concentration of α-CD was increased. Importantly, at 7.5 wt% α-CD, the PRX/gelatin hybrid hydrogels showed a 2.6-fold increase in adhesive strength (21.4 KPa) compared to that of the PEG/gelatin hybrid hydrogel. Moreover, the tensile strength increased by 4-fold (2434 J/m2) and storage modulus increased by 2.6-fold (21.2 kPa) when the α-CD concentration was increased. Interestingly, the PRX/gelatin hybrid hydrogels contained more porous structures with increasing α-CD concentrations, despite the highly improved mechanical properties. Our PRX/gelatin hybrid hydrogel showed tunable mechanical properties with cytocompatibility as a biocompatible tissue scaffold exposed to external forces.
more초록/요약
기계적 물성이 증가된 하이드로젤은 세포외기질과 유사한 환경을 제공하고 외부의 물리적 힘을 견딜 수 있어 최근 주목을 받으며 조직공학 분야의 생체재료로 응용되고 있다. 콜라겐에서 유래한 생체고분자 젤라틴은 생체 적합성과 세포 부착 특성으로 인해 생체 재료에 널리 사용된다. 그러나 젤라틴 하이드로젤의 낮은 기계적 특성으로 인해 조직 스캐폴드로 사용하는 데 제한이 존재한다. 이러한 한계를 극복하기 위해 합성 고분자, 특히 폴리로탁세인(PRX)을 포함하는 하이브리드 하이드로젤이 개발되었다. 고리형 분자 α-사이클로덱스트린(α-CD)에 연결된 폴리(에틸렌 글리콜)(PEG)과 같은 선형 중합체로 구성된 초분자 중합체인 PRX는 α-CD의 풍부한 하이드록시기에 의해 분자 이동성과 수소 결합을 부여할 수 있으며, 이는 기계적 성질을 개선하기 위해 폴리머 하이드로젤에 적용할 수 있다. 그러나 미리 형성된 하이드로젤은 주입 가능한 하이드로젤과 같이 손상된 조직을 완전히 덮을 수 없기 때문에 조직 교체에 적합하지 않다. 따라서 이 연구에서 우리는 주입 가능한 α-CD가 도입된 PEG/젤라틴 하이브리드 하이드로젤을 개발하고 생의학적 응용을 위한 조절 가능한 물리화학적 특성을 가지고 있는지 여부를 평가했다. PRX의 효소 가교를 위해 페놀이 합성된 PEG(PT)를 합성하고 여기에 다양한 농도의 α-CD(0–7.5wt%)를 도입하였다. PRX는 양고추냉이 과산화효소와 과산화수소를 사용하여 PRX/젤라틴 하이브리드 하이드로젤을 형성하기 위해 페놀 기능화 젤라틴(GH)과 혼성화되었다. 하이브리드 하이드로젤의 젤화 시간은 양고추냉이 과산화효소 농도를 조절하여 제어할 수 있었고(18.7-249초), α-CD 농도가 증가함에 따라 팽윤률이 감소했다.(1459%-800.6%). 하이드로젤의 기계적 성질은 α-CD의 농도가 증가함에 따라 크게 향상되었다. 중요한 결과는 7.5wt% α-CD에서 PRX/젤라틴 하이브리드 하이드로젤이 PEG/젤라틴 하이브리드 하이드로젤에 비해 접착 강도(21.4KPa)가 2.6배 증가한 것을 보여주었다는 것이다. 또한, α-CD 농도를 증가시키면 인장강도는 4배(2434 J/m2), 탄성계수는 2.6배(21.2 kPa) 증가하였다. 흥미롭게도 PRX/젤라틴 하이브리드 하이드로젤은 기계적 특성이 크게 개선되었음에도 불구하고 α-CD 농도가 증가함에 따라 더 많은 다공성 구조를 포함하고 있었다. 이에 따라 PRX/젤라틴 하이브리드 하이드로젤은 외부 힘에 노출된 생체 적합성 조직 스캐폴드로서 세포 적합성과 함께 조정 가능한 기계적 특성을 보여주었다.
more목차
Ⅰ. INTRODUCTION 1
1. Hydrogels 1
1.1. In situ forming hydrogels 1
1.1.1. Advantages of in situ forming hydrogel 1
1.1.2. Cross-linking strategies for in situ forming hydrogels 2
1.1.3. Horseradish peroxidase (HRP) catalyzed crosslinking hydrogels 4
1.2. Gelatin hydrogels 6
1.2.1. Gelatin 6
1.2.2. Gelatin-based hydrogels 7
1.2.3. Gelatin/Synthetic Hybrid Hydrogels 8
2. Supramolecular Chemistry 9
2.1. Polyrotaxane (PRX) 10
2.1.1. Cyclodextrins (CDs) 12
2.1.2. Mechanism and conditions of PRX formation 13
2.1.3. PRX for reinforcing mechanical properties of hydrogels 15
3. Objectives 16
Ⅱ. EXPERIMENTS AND METHODS 17
1. Materials 17
2. Polymer synthesis and characterization 18
2.1. Synthesis of PEG-tyramine2 (PT) conjugates 18
2.2. Synthesis of gelatin-HPA (GH) conjugates 18
2.3. Characterization of PT and GH conjugates 19
3. Preparation of injectable PRX hydrogels and PRX/gelatin hydrogels 20
3.1. Preparation and characterization of hydrogel precursors 20
3.2. Preparation of hydrogels 21
4. Characterization of injectable PRX hydrogels and PRX/gelatin hydrogels 21
4.1. gelation time 21
4.2. Swelling property 22
4.3. Morphological study 22
4.4. Wettability 22
4.5. Proteolytic degradation 23
4.6. Mechanical properties 24
4.6.1. Storage modulus (G’) 24
4.6.2. Tensile strength 24
4.6.3. Tissue adhesiveness 25
5. Cytotoxicity test 26
Ⅲ. RESULTS AND DISSCUSSION 28
1. Characterization of phenol-conjugated gelatin and PEG 28
2. Preparation of injectable PRX/gelatin hybrid hydrogels 31
2.1. Preparation and characterization of hydrogel precursors 31
2.2. Fabrication of hydrogels 33
3. Characterization of injectable hydrogels 34
3.1. Controlled gelation time of hydrogels 34
3.2. Controllable swelling property of hydrogels 35
3.3. Morphological Studies of hydrogels 36
3.4. Wettability of hydrogels 37
3.5. In vitro proteolytic degradability of PRX/gelatin hydrogels 38
3.6. Tunable mechanical properties 40
3.6.1. Storage modulus (G’) 40
3.6.2. Tensile strength and toughness 41
3.6.3. Adhesiveness to porcine skin 43
4. Cytotoxicity test of PRX/gelatin hydrogels 45
Ⅳ. CONCLUSIONS 47
Ⅴ. REFERENCES 48
