Injectable and shape-retaining collagen hydrogel, crosslinked using bio-orthogonal cycloaddition chemistry

Abstract: Under senaste decennierna, har intresset kring implantat från naturliga och syntetiska polymerer ökat markant i samband med en ökad marknadsefterfrågan på vävnadsdonationer. Detta har lett till efterforskningen av nya in-situ formerande geler med formbevarande egenskaper in-vivo. Extracellulära matrisen (ECM) innehåller flertal makromolekylära komponenter med stödjande och nätverksformerande egenskaper, då de ofta är essentiella strukturella konstituenter i biologiska system. Den huvudsakliga beståndsdelen i ECM-nätverket, kollagen typ-1, har undersökts som en kandidat för utvecklingen av nya modifierade biomaterial med cellförökande-, biokompatibla-, icke-svällande samt injicerbara egenskaper. I detta projekt var grisderiverat kollagen modifierat med furfuryl glycidyl eter, och tvärbundet med 10 kDa 8-armad PEG-malimid, vilket genomgick kovalenta Diels-alder klick-reaktioner. Fyra formuleringar användes i experimenten, baserat på de stökiometriska förhållandet mellan furan och malimid i det kemiskt modifierade kollagenet. Dessa kollagen-baserade hydrogeler undersöktes baserat på 4 wt% löst kollagen, med avseende på reologiska-, mekaniska-, bionedbrytbara och svällningsegenskaper.  Resultaten indikerar att en ökning i fastfas-mängd ledde till en förhöjning i hydrogelens styvhet. Detta kunde observeras genom en ökad lagringsmodul (G’) under reologiska mätningar. Samtidigt indikerade mätningarna att sprödheten av hydrogelen ökade i korrelation med ökningen av styvheten.  Vidare drogs slutsatsen att kovalenta interaktionerna är enbart delvis ansvarig för ökningen av G’. Jämförelser med tan delta och kritiska töjningen visade att det fanns fysiska interaktioner mellan polymererna vilket också bidrog till ökningen av G’ för gelformuleringar som innehöll furan-till-malimid förhållanden på 1:1 och 1:4. Dessa fysiska interaktioner tros härstamma från en ökning av hydrofobiska effekter mellan kollagen kedjorna, då agglomerering och löslighetssvårigheter i vattenlösningar observerades i flertal experiment. Kollagen-PEG-Malimid hydrogelen var också injicerbar genom 15G kanyler, nedbrytbar in-vitro i närvaro av kollagenas, och uppvisade låg svällning i vatten. Inga cellexperiment genomfördes, och därav kunde inga slutsatser dras i hydrogelens cellförökande egenskaper. Däremot har tidigare arbete av Dr Jamadi visat att kollagen-PEG-malimid hydrogel med 2 vikt% haft kapacitet att inkapsla celler. Detta kan vara en indikation att högre viktprocent av gelen också kan uppvisa samma effekt vid framtida försök.Sammanfattningsvis, kunde slutsatsen dras att hydrogelen uppvisar flertal av de spekulerade, samt några av de eftertraktade egenskaperna hos en injicerbar hydrogel som potentiellt kan användas kliniskt.