The repair of articular cartilage represents a huge challenge in the biomedical field. Articular cartilage is a thin layer between bone at the joint site, and despite its dimension, plays a key role in the distribution of the loads through the bones, and allows free movements of the joint, avoiding friction. Articular cartilage lacks of innervations, lymphatic stream and blood stream, and the chondrocytes (the main cell type) presented a poor proliferation ability. These conditions determine a serious problem when the tissue is damaged or affected by a disease. Unfortunately, articular cartilage is subjected to numerous trauma that can occur during life from long term wear, to physical injuries, but also inflammatory and genetic diseases. As a result, a progressive and irreversible degeneration of the cartilage could lead to changes also in the adjacent synovial and bone tissue resulting in an arthritis disease. Nowadays researchers are trying to overcome the more classical therapies (pharmacological treatment, viscosupplementation, arthroscopy, and autologus chondrocytes implantation), that are not able to completely restore the native tissue, by tissue engineering approaches. The aim of the present work is to develop a biomaterial that could fit in the cartilage defect. Such biomaterial should possesses mechanical properties resemble that of the native tissue, intrinsic bioactivity to guide the repair, and a long-lasting sustained release of a therapeutic molecule. In Chapter I, the miscibility studies of two oppositely charged polysaccharides , namely hyaluronic acid and CTL were described. Investigations on the influence of several parameters that could affect the behavior of the two polymers were conducted. The possibility to prepared complex coacervates via electrostatic interaction between the two polyelectrolites was explored by Transmittance and Dynamic Light Scattering analyses. The characterization of the coacervates is reported in Chapter II. Here, the possibility to stabilize the system in physiological conditions was investigated. The stability in physiological ionic strength, temperature and pH was achieved by using an EDC/NHS chemistry. The possibility to freeze-dried and store the coacervates for commercial purposes were also evaluated. The loading efficacy and release kinetic of this system was accessed using a model payload. Lastly, the biocompatibility of the coacervates is presented. The development of a bioactive hydrogel is described in Chapter III. Alginate, CTL and chondroitin sulfate were employed for hydrogel preparation. The gelification occurred by exploiting the ion diffusion technique. After the mechanical characterization of the structure, the integration of coacervates within the hydrogel was successfully explored. Further in vitro and in vivo experiment should be conducted to complete the characterization of the whole system, but the data collected in this thesis proposed a promising biomaterials that may be considered for the treatment of articular cartilage defects.

La riparazione della cartilagine articolare rappresenta una grande sfida in campo biomedico. La cartilagine articolare è uno strato sottile che si trova tra due ossa a livello delle giunzioni articolari. Nonostante il suo spessore, svolge un ruolo chiave nella distribuzione dei carichi e permette alle ossa articolari di muoversi evitando l’attrito. La cartilagine articolare non presenta innervazione, e non è raggiunta da vasi linfatici o sanguigni. Inoltre, le cellule che compongono la cartilagine, i condrociti, presentano una scarsa capacità proliferativa. Tali condizioni determinano una scarsa capacità rigenerativa del tessuto. Sfortunatamente, la cartilagine articolare è soggetta a numerosi traumi che possono verificarsi durante la vita per usura a lungo termine, lesioni fisiche, o malattie infiammatorie e genetiche. Conseguentemente, una degenerazione progressiva e irreversibile della cartilagine potrebbe portare a cambiamenti anche nei tessuti sinoviale e osseo adiacenti, con conseguente sviluppo di patologie quali osteoartrite e malattie reumatiche. Attualmente i ricercatori stanno cercando di superare le terapie più classiche (trattamento farmacologico, viscosupplamentazione, artroscopia e impianto di condrociti autologhi), che non sono in grado di ripristinare completamente il tessuto nativo, sfruttando l'approccio dell'ingegneria tissutale. Lo scopo del presente lavoro è quello di sviluppare un biomateriale capace di riempire il difetto cartilagineo, dotato di proprietà meccaniche simili a quelle del tessuto nativo, di bioattività intrinseca per guidare la riparazione della cartilagine e capacità di garantire un rilascio prolungato di una molecola bioattiva (farmaco o fattore di crescita). Nel Capitolo I sono stati descritti gli studi di miscibilità di due polisaccaridi con carica opposta, vale a dire acido ialuronico e CTL. E’ stata esaminata l’influenza di pH, forza ionica, peso molecolare e rapporto quantitativo tra i due polimeri sul comportamento della soluzione binaria. La possibilità di preparare coacervati tramite l'interazione elettrostatica tra i due polielettroliti è stata valutata mediante analisi di trasmittanza e dynamic light scattering. La caratterizzazione dei coacervati è riportata nel Capitolo II. Qui è stata studiata la possibilità di stabilizzare il sistema in condizioni fisiologiche. La formazione dei coacervati avviene immediatamente dopo il gocciolamento dell’acido ialuronico nella soluzione di CTL. I coacervati si sono subito dimostrati stabili in condizioni di forza ionica e temperatura fisiologiche, mentre hanno mostrato una dissoluzione dipendente dal pH. La stabilità in funzione del pH è stata ottenuta utilizzando un cross-linker chimico. E’ stata valutata anche la possibilità di liofilizzare e conservare i coacervati per scopi commerciali. L'efficienza di caricamento e la cinetica di rilascio di questo sistema è stata valutata utilizzando una molecola modello. Infine, viene presentata una valutazione della biocompatibilità dei coacervati. Lo sviluppo di un idrogele bioattivo è descritto nel Capitolo III. Alginato, CTL e condroitin solfato sono stati impiegati per la preparazione dell’idrogele. La gelificazione avviene sfruttando la tecnica della diffusione ionica. Dopo la caratterizzazione meccanica della struttura, l'integrazione dei coacervati all'interno dell'idrogele è stata ottenuta con successo. Ulteriori esperimenti in vitro e in vivo devono essere condotti per completare la caratterizzazione dell'intero sistema, ma i dati raccolti in questa tesi propongono un biomateriale che può essere preso in considerazione per il trattamento dei difetti della cartilagine articolare.

DEVELOPMENT AND CHARACTERIZATION OF A POLYSACCHARIDES-BASE BIOMATERIAL FOR BIOMEDICAL APPLICATIONS / Vecchies, Federica. - (2019 Feb 22).

DEVELOPMENT AND CHARACTERIZATION OF A POLYSACCHARIDES-BASE BIOMATERIAL FOR BIOMEDICAL APPLICATIONS

VECCHIES, FEDERICA
2019-02-22

Abstract

The repair of articular cartilage represents a huge challenge in the biomedical field. Articular cartilage is a thin layer between bone at the joint site, and despite its dimension, plays a key role in the distribution of the loads through the bones, and allows free movements of the joint, avoiding friction. Articular cartilage lacks of innervations, lymphatic stream and blood stream, and the chondrocytes (the main cell type) presented a poor proliferation ability. These conditions determine a serious problem when the tissue is damaged or affected by a disease. Unfortunately, articular cartilage is subjected to numerous trauma that can occur during life from long term wear, to physical injuries, but also inflammatory and genetic diseases. As a result, a progressive and irreversible degeneration of the cartilage could lead to changes also in the adjacent synovial and bone tissue resulting in an arthritis disease. Nowadays researchers are trying to overcome the more classical therapies (pharmacological treatment, viscosupplementation, arthroscopy, and autologus chondrocytes implantation), that are not able to completely restore the native tissue, by tissue engineering approaches. The aim of the present work is to develop a biomaterial that could fit in the cartilage defect. Such biomaterial should possesses mechanical properties resemble that of the native tissue, intrinsic bioactivity to guide the repair, and a long-lasting sustained release of a therapeutic molecule. In Chapter I, the miscibility studies of two oppositely charged polysaccharides , namely hyaluronic acid and CTL were described. Investigations on the influence of several parameters that could affect the behavior of the two polymers were conducted. The possibility to prepared complex coacervates via electrostatic interaction between the two polyelectrolites was explored by Transmittance and Dynamic Light Scattering analyses. The characterization of the coacervates is reported in Chapter II. Here, the possibility to stabilize the system in physiological conditions was investigated. The stability in physiological ionic strength, temperature and pH was achieved by using an EDC/NHS chemistry. The possibility to freeze-dried and store the coacervates for commercial purposes were also evaluated. The loading efficacy and release kinetic of this system was accessed using a model payload. Lastly, the biocompatibility of the coacervates is presented. The development of a bioactive hydrogel is described in Chapter III. Alginate, CTL and chondroitin sulfate were employed for hydrogel preparation. The gelification occurred by exploiting the ion diffusion technique. After the mechanical characterization of the structure, the integration of coacervates within the hydrogel was successfully explored. Further in vitro and in vivo experiment should be conducted to complete the characterization of the whole system, but the data collected in this thesis proposed a promising biomaterials that may be considered for the treatment of articular cartilage defects.
22-feb-2019
MARSICH, ELEONORA
PAOLETTI, SERGIO
31
2017/2018
Settore BIO/10 - Biochimica
Università degli Studi di Trieste
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