Authors:	Ustahüseyin, Oya
Title:	Tuning mechanical properties of hydrogels
Online publication date:	31-Jan-2018
Year of first publication:	2018
Language:	english
Abstract:	The properties of the cellular microenvironment are critical for cellular behaviour and are dynamically regulated in living tissues. The mechanical properties of the extracellular matrix (ECM), in particular, are relevant cues influencing attachment, spreading, and phenotypic differentiation of cells. These properties change during healing, aging, or disease states. Natural and synthetic hydrogels used to mimic the extracellular matrix in in vitro cultures need to capture the mechanical properties of the ECM and their changes. In this thesis, different strategies to adjust and dynamically tune the stiffness of synthetic poly(ethyleneglycol) and natural alginate based hydrogels within physiologically relevant ranges are presented. They include different tunable crosslinking mechanisms (catechol chemistry, ionic crosslinking and photoactivatable strategies), polymer architectures (single and interpenetrating networks) and morphologies (hydrogel films and 3D bioprinted scaffolds). Catechol-terminated poly(ethyleneglycol) (PEG) hydrogels with tunable mechanical properties were developed by introducing electron-donating or electron-withdrawing substituents on the catechol ring. Gel mechanics during gelation was characterized by rheology measurements. The effect of substitution in the final stiffness and the crosslinking kinetics of the hydrogels was studied. Independently variation of these two parameters within desired ranges was successfully achieved by mixing different catechol derivatives and oxidative conditions. Light-based dynamic regulation of the mechanical properties of catechol-derivatized PEG hydrogels was attempted using photosensitive nitrocatechol derivatives. Synthetic effort was devoted to obtain chromophores with high photosensitivity in order to allow changes in the mechanical properties in the presence of living cells without causing photodamage. Nitrobenzyl chemistry was also applied to dynamically regulate the mechanics of soft alginate hydrogels by using a phototunable calcium chelator. In situ variations in the ionic crosslinking degree of the alginate upon light-induced changes in the concentration of Ca2+ ions was demonstrated. The long term mechanical stability of ionically crosslinked alginate in cell culture conditions was studied by rheology. Interpenetrating networks (IPNs) of ionically crosslinked alginate and covalently crosslinked polyacrylamide hydrogels with different compositions were developed and the mechanical properties during incubation in different conditions were studied. Stable network compositions with mechanical properties within physiologically relevant ranges were obtained. Mechanically tunable 3D alginate scaffolds were developed by 3D bioprinting Alginate/Gelatin mixtures. Parameter windows for printability using different compositions, temperature and ionic concentration of the printing bath were identified. 3D scaffolds with enhanced stability in watery media were achieved by using chitosan to build polyionic complex coatings on the scaffold. The physical properties of scaffold were monitored over different temperature ranges. Die Eigenschaften der zellulären Mikroumgebung sind entscheidend für das Zellverhalten und sind in lebendem Gewebe dynamisch reguliert. Insbesondere die mechanischen Eigenschaften der extrazellulären Matrix (EZM) sind relevante Faktoren, die das Anhaften, Ausbreiten und die phänotypische Differenzierung von Zellen beeinflussen. Diese Eigenschaften verändern sich während eines Heilungsprozesses, der Alterung oder einer Erkrankung. Natürliche sowie synthetische Hydrogele, die genutzt werden um extrazelluläre Matrix in in vitro Zellkulturen nachzuahmen, müssen die mechanischen Eigenschaften der EZM und ihre Veränderungen nachbilden können. In dieser Arbeit werden verschiedene Strategien präsentiert, mit denen die Steifheit von synthetischen polyethylenglycolbasierten und natürlichen alginatbasierten Hydrogelen im physiologisch relevanten Bereich eingestellt und dynamisch angepasst werden kann. Diese beinhalten verschiedene einstellbare Vernetzungsmechanismen (Brenzcatechin Chemie, ionische Vernetzung und photoaktivierbare Strategien), Polymergebilde (einfache und interpenetrierende Netzwerke) und Morphologien (Hydrogelfilme und mithilfe eines Bioprinters hergestellte 3D Gerüste). Mit Brenzcatechin als Endgruppe versehene Polyethylenglycolhydrogele mit verstellbaren mechanischen Eigenschaften wurden durch Elektronen abgebende, beziehungsweise Elektonen entziehendeSubstituenten im Brenzcatechinring hergestellt. Die mechanischen Eigenschaften wurden während der Gelierung mittels rheologischer Messungen charakterisiert. Der Einfluss von Substitution auf die endgültige Steifheit und die Vernetzungskinetiken der Hydrogele wurde analysiert. Eine individuelle Variierung dieser beiden Parameter innerhalb des gewünschten Bereiches wurde durch das Mischen verschiedener Brenzcatechinderivate und Abänderung oxidativer Bedingungen erreicht. Lichtbasierte dynamische Regulierung der mechanischen Eigenschaften von Brenzcatechin derivatisierten Polyethylenglycolhydrogelen wurde mittels photosensitiver Nitrocatecholderivate versucht. Bei der Synthese der Chromophore wurde besonderer Wert auf hohe Photosensitivität gelegt um eine Veränderung der mechanischen Eigenschaften zu ermöglichen ohne dabei vorhandene lebende Zellen bei der Bestrahlung zu schädigen. Nitrobenzylierungen wurden angewendet um die mechanischen Eigenschaften von Alginathydrogelen dynamisch zu regulieren, wobei ein lichtabhängiger Calciumchelator eingesetzt wurde. Abänderungen des ionischen Vernetzungsgrades des Alginats nach lichtinduzierten Veränderungen der Ca2+ Ionenkonzentration konnte in situ gezeigt werden. Die mechanische Langzeitstabilität von ionisch vernetztem Alginat unter Zellkulturbedingungen wurde mittels rheologischer Messungen analysiert. Interpenetrierende Netzwerke (IPNs) aus ionisch vernetztem Alginat und kovalent vernetzten Polyacrylamidhydrogelen mit unterschiedlicher Zusammensetzung wurden hergestellt und auf ihre mechanischen Eigenschaften während der Inkubation unter verschiedenen Bedingungen untersucht. Es konnten stabile Netzwerkzusammensetzungen mit mechanischen Eigenschaften innerhalb der physiologisch relevanten Bereiche hergestellt werden. Mechanisch veränderbare 3D Alginatgerüste wurden mithilfe eines 3D Bioprinters aus Alginat/Gelatinlösungen hergestellt. Spezifische Parameterbereiche für verschiedene Zusammensetzungen, Temperatur und Ionenkonzentrationen des Druckerbades wurden für den 3D-Druck wurden identifiziert. 3D Gerüste mit verbesserter Stabilität in wässrigem Medium konnten mittels polyionischer komplexer Beschichtung mit Chitosan hergestellt werden. Die physikalischen Eigenschaften des Gerüsts wurden bei verschiedenen Temperaturbereichen gemessen.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	MaxPlanck GraduateCenter
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2843
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000018899
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	XVIII, 151 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen