Characterization methods for mass transport in hydrogels

Abstract

Hydrogeelejä voidaan käyttää kasvatusalustana kolmiulotteisissa kudosteknologisissa soluviljelmissä. Kasvatusalustassa elävät solut tarvitsevat toimivan vaihdon kaasujen, ravinteiden ja metaboliatuotteiden välillä ja siksi aineensiirto-ominaisuudet ovat yksi tärkeimpiä huomioon otettavia ominaisuuksia kehitettäessä alustoja soluviljelmälle. Hydrogeeleissä aineensiirto tapahtuu pääosin diffuusion kautta ja riippuu hydrogeelin fysikaalisista ja kemiallisista ominaisuuksista. Hydrogeelien diffuusio-ominaisuuksia määritetään enimmäkseen fluoresenssipohjaisilla menetelmillä ja niitä voidaan hyödyntää kolmiulotteisten soluviljelmien kehittämiseen kudosmallinnuksissa.

Työn tavoitteena on kartoittaa hydrogeelien diffuusio-ominaisuuksien karakterisointimenetelmiä. Työssä kuvataan menetelmiä ja esitellään lyhyesti hydrogeelit materiaaliryhmänä sekä teoriakehys diffuusiolle hydrogeeleissä. Aineiden siirtoa voidaan arvioida diffuusiokertoimen avulla ja sen arvo määrittää tarkastelemalla fluoresoivan molekyylin liikkumista tai mittaamalla diffundoituvan molekyylin pitoisuutta hydrogeelissä. Molekyylin liikkumisesta saadaan tietoa kuvantamalla fluoresenssin intensiteetin vaihtelua tarkasteltavassa alueessa tai tilavuudessa. Työssä esitellään myös NMR- ja Raman -spektroskopiamenetelmät, joilla voidaan selvittää hydrogeelien diffuusioominaisuuksia. Menetelmien taustailmiöt ja yksinkertainen teoriakehys esitellään menetelmien kuvailun ohessa fluoresenssi- NMR-, ja Raman-spektroskopiatekniikoille.

Työssä esiteltyjä menetelmiä käytetään diffuusio-ominaisuuksien tutkimisessa ja niillä saadaan tietoja aineiden liikkeistä eri kokoluokissa. Diffuusiota hydrogeeleissä voidaan tarkastella yksittäisten molekyylien liikkeen kautta tai taltioida liikettä koko näytteessä samaan aikaan. Synteettisten fluoresoivien kohdemolekyylien käyttö on yleistä diffuusiota mallinnettaessa, kun käytetään fluoresenssipohjaisia menetelmiä. Kirjallisuuskatsauksen perusteella havaittiin, että lisäselvityksiä tarvitaan niin olemassa oleville menetelmille kuin uusien kehittämiselle. Vakiintunutta menetelmää ei ole vielä muodostunut hydrogeelien diffuusio-ominaisuuksien tutkimisessa ja riittävän tarkan ja tehokkaan menetelmän löytäminen vaatii lisää tietoa ja tutkimuksia.

Hydrogels are manufactured as scaffolds for 3D cell cultures in tissue engineering along with other biomedical applications. Sufficient mass transport is fundamental requirement for scaffold due to the need for necessary exchange of gases, nutrients and waste molecules to cell culture viability. In hydrogels, mass transport is mainly occurring via diffusion and rate of it depends on hydrogel’s physical and chemical properties. Characterization of diffusion behaviour in hydrogels is studied commonly with fluorescence methods and is used to develop suitable scaffold materials for 3D cell culturing.

The aim of this literature review is to map methods for diffusion characterization in hydrogels. Different methods are described along with introduction to hydrogels as polymer material and theory background for diffusion in hydrogel network. Transport of molecules can be estimated with diffusion coefficient and value of it determined by tracking the mobility of fluorescent probe molecule or measuring the concentration of diffusive molecule in hydrogel. Mobility of molecules can be detected with measuring changes fluorescence intensities in detection area or volume depending on the method. In addition to fluorescence methods, NMR and Raman spectroscopy approaches to diffusion characterization were introduced. Phenomena in the background of the techniques is briefly discussed for the fluorescence, NMR and Raman spectroscopy methods.

The methods that were introduced in this thesis can be used to study diffusion in different size scales. Transport of molecules in hydrogels can be estimated from measurements in mobility of individual molecules or imaging transport within the whole sample. Additionally, synthetic fluorescent probes are widely used in diffusion characterization studies in modelling the diffusion behaviour within fluorescence methods. It was found that the established diffusion characterization method is in the process to be developed and obtaining accuracy with efficiency needs more research on the current methods or creating new techniques.