Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка биотехнологии импортозамещающих гидрогелей для 3D-принтинга на основе растительных полисахаридов

Сведения об участнике
ФИО
Супрунчук Виктория Евгеньевна
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Северо-Кавказский федеральный университет"
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Науки о жизни и медицина
Раздел области наук
Медицинские биотехнологии
Тема
Разработка биотехнологии импортозамещающих гидрогелей для 3D-принтинга на основе растительных полисахаридов
Резюме
В работе рассмотрены условия образования комплексов полисахаридов с ионами металлов и возможность включения растворов полисахаридов в структуру синтетических (АА/МБА, Salcare SC 80) и природных (на основе метилцеллюлозы) гелей «без отслойки». Изучены реологические и физические свойства полученных образцов. Установлено, что наибольшей способностью к удержанию связанной и свободной вод, а также наибольшей стабильностью к деструкции обладают гидрогелиевые структуры содержащие синтетические полимеры.
Ключевые слова
гидрогели, 3D – биопринтинг, полисахариды, фукоидан, галактоманнан
Цели и задачи
Целью работы является разработка способов формирования гидрогелиевых структур, содержащие природные полисахариды.
Исходя из цели работы были сформированы следующие задачи:
- оптимизация способа выделения галактоманнана;
- определение условий гелеобразования полисахаридов с применением различных ионов металлов и гелеобразователей;
- определения физических свойств полученных гидрогелей
Введение

Одним из перспективных направлений регенеративной медицины на сегодняшний день являются исследования в области технологий трехмерной печати функциональных органов, а также тканевых инженерных конструкций. В работе, для создания гидрогелевых систем, нами были использованы и природные (метилцеллюлоза, галактоманнан, фукоидан), и синтетические (акрилатная эмульсия, полиакриламид) полимеры.  К гидрогелям, используемых в 3D-биопринтинге, предъявляют следующие требования: высокая биосовместимость и адгезия, отсутствие токсичности, жесткую сетчатую либо пористую структуру, которая позволит исполнять роль механически плотной подложки, применимой для засевания стволовыми клетками, способствующей их пролиферации и дифференцировке

 

Методы и материалы

При разработке гидрогелиевых структур использовались метод ионной сшивки биополимеров, путем введения различных ионов металлов, внесения гелеобразующего агента. При определении физических характеристик использовали метод сканирующей микроскопии, классические методы аналитической химии.

Описание и обсуждение результатов

На первом этапе исследования была оптимизирована  методика выделения галактоманнана (2440 кДа) из бобов стручков вечнозеленого рожкового дерева Locust bean gum (Ceratonia siliqua L). Плюсом методики явяляется ее простота и соответствие принципам зеленой химии.

На втором этапе была определена возможности формирования гидрогелевых структур методом ионной сшивки с мощью различных металлов.Установлено, что осуществляется формирование нерастворимых комплексов, на примере фукоидана, со всеми ионами металлов, выбранных для исследования. Затем мы определили возможность включения полисахаридов в структуру синтетических (АА/МБА, Salcare SC 80) и природных (на основе метилцеллюлозы) гелей «без отслойки». Реологические исследования для системы содержащих метилцеллюлозу показали неньютоновский характер течения. Из концентрационных зависимостей вязкостей растворов установленно, что значения вязкостей растворов тем выше, чем выше концентрация метилцеллюлозы.

Определение физических параметров полученных гидрогелевых образцов, показали пиковое изменение влагоудерживающей способности образцов говорит о присутствии несвязанных молекул воды за счет изменения структуры молекул использованных полисахаридов (от линейной  - метилцеллюлоза, до разветвленной – галактоманнан, фукоидан). Снижение степени удержания воды возможно так же благодаря образованию кластеров воды на поверхности гидрогеля, тем самым происходит увеличение объёма матрицы и ее проницаемости.

Определение условий биодеструкции гидрогелевых структур позволят оптимизировать условия хранения, определит тип иммобилизируемых клеток. Результаты исследования процесса биодеградации полученных материалов показали, что самой высокой стабильностью к ферменту обладают образцы гидрогелей, содержащие в качестве основы синтетические полимеры.

Исследование поверхности образцов с помощью сканирующей электронной микроскопии, показало, что поверхность гидрогелиевых структур на основе синтетических полимеров имеет более гладкую структуру, размер пиков здесь не превышает 40 нм, в то время как образцы гидрогелей на основе природного полимера имеют размер пиков доходящих до 80 нм. Такая структура приводит к увеличению площади поверхности и соответственно, к увеличению свободных гидрофильных групп на поверхности гидрогеля, увеличивается сродство к молекулам воды. Как результат изменяется степень набухания и удержания воды, и уменьшается стабильность.

Используемые источники
Abbadessa A. et al. A thermo-responsive and photo-polymerizable chondroitin sulfate-based hydrogel for 3D printing applications // Carbohydrate Polymers. – 2016. – Vol. 149. – P. 163-174
Bertassoni L. E. et al. Direct-write bioprinting of cell-laden methacrylated gelatin hydrogels //Biofabrication. – 2014. – Vol. 6, Is. 2.
Chang R. Bioactive Polysaccharides from Traditional Chinese Medicine Herbs as Anticancer Adjuvants // The journal of alternative and complementary medicine. – 2002. – Vol. 8, Number 5. – Р. 559–565.
Dhariwala B., Hunt E., Boland T. Rapid prototyping of tissue-engineering constructs, using photopolymerizable hydrogels and stereolithography // Tissue engineering. – 2004. – Vol. 10, Is. 9-10. – P. 1316-1322
Dickey M. D. Hydrogel composites: Shaped after print /Nature Materials. – 2016. – Vol. 15, Is. 4. – P. 379-380


Information about the project
Surname Name
Suprunchuk
Project title
Develop of biotechnology of import substitution hydrogels for 3D- Printing plant-based polysaccharides
Summary of the project
The paper discusses the conditions for the formation of complexes with metal ions, polysaccharides, and the inclusion of polysaccharides solutions in synthetic structure (AA / IBA, Salcare SC 80) and natural (based on methyl cellulose) gels "without detachment." The rheological and physical properties of the obtained samples. It was found that the greatest capacity for retention of bound and free water, as well as the most stable to degradation have gidrogelievye structure containing synthetic polymers.
Keywords
hydrogels, 3D - bioprinting, polysaccharides, fucoidan, galactomannan