Microgel Fabrication via Extrusion Fragmentation of GG-based Hydrogels: Improving the microstructure for 3D cell culture

Abstract

Hydrogels are used in cell culture as synthetic extracellular matrix structures since have several benefits such as the ability to biomimic natural extracellular matrix and the capability of transportation of oxygen, waste, and nutrients. Traditionally, hydrogels have been used in cell culture in cross-linked bulk form. However, due their nanoporous structure bulk hydrogels do not allow cells migrate or remodel in their immediate environment without degrading the hydrogel. Bulk hydrogels typically lack injectability, which limits their application potential.

To address the drawbacks of bulk hydrogels microgels could be used. Microgels are micro-sized hydrogel particles that can be assembled together into a jammed state creating granular hydrogels. These microgels structures provide more void space between particles which creates significantly more opportunities for cells to remodel in their immediate environment. Jammed microgels also demonstrate shear-thinning and self-healing properties, which makes them useful for applications requiring injectability, such as 3D printing and wound healing.

In this thesis two different types of hydrogel materials, gelaCDH-GGox and gelaADH-GGox were used to fabricate extrusion fragmented microgels. The microgel particles’ area and perimeter was measured. Both hydrogel materials were used in cell culture as bulk hydrogel and microgel form. The aim was to compare cell growth and proliferation between the two hydrogel materials used and more importantly, between bulk hydrogels and extrusion fragmented hydrogels.

As for the results the extrusion fragmented microgels performed well in cell culture since they exhibited more tissue-like properties when compared to bulk hydrogels. Jammed microgels allowed more void space for the cells to remodel in their immediate environment. Both hydrogel materials exhibited similar and favorable results when fragmented into microgels for cell culture applications. Extrusion fragmentation proved to be simple yet effective method to create microgel particles for cell culture applications. However, extrusion fragmentation produced jagged polygon-shaped particles that varied from their shape and size which could lead to limited modification capability for further applications. Still, extrusion fragmented microgel particles have great potential for various applications such as cell culture, 3D-bioprinting and wound healing.

Hydrogeelejä hyödynnetään soluviljelyssä synteettisenä soluväliaineena, sillä niillä on useita etuja, kuten kyky jäljitellä biologista soluväliainetta sekä kyky kuljettaa happea, jäteaineita ja ravinteita. Tavallisesti hydrogeelejä on käytetty soluviljelyssä ristisilloittuneessa bulkkimuodossa. Nanohuokoisen rakenteensa vuoksi bulkkihydrogeelit eivät kuitenkaan salli solujen siirtymistä tai muovautumista niiden lähiympäristössään hajottamatta hydrogeelin rakennetta. Lisäksi bulkkihydrogeelit eivät yleensä ole injektoitavia, mikä edelleen rajoittaa niiden käyttömahdollisuuksia.

Bulkkihydrogeelien ongelmien ratkaisemiseksi voitaisiin hyödyntää mikrogeelejä. Mikrogeelit ovat mikrokokoisia hydrogeelipartikkeleita, jotka voidaan koota yhteen muodostaen granulaarisia hydrogeelejä. Nämä mikrogeelirakenteet mahdollistavat enemmän vapaata tilaa partikkelien välille, mikä antaa huomattavasti enemmän mahdollisuuksia soluille muokata lähiympäristöään. Mikrogeelirakenteet ovat myös leikkausohentuvia sekä itsekorjaavia, joten ne ovat hyödyllisiä injektoitavuutta vaativissa sovelluksissa, kuten 3D-tulostuksessa ja haavojen paranemisessa.

Tässä työssä käytettiin kahta eri hydrogeelimateriaalia, gelaCDH-GGox:ia ja gelaADH-GGox:ia, ekstruusiofragmentoitujen mikrogeelien valmistukseen. Mikrogeelipartikkelien pinta-ala ja ympärysmitta mitattiin. Molempia hydrogeelimateriaaleja käytettiin soluviljelyssä sekä bulkkihydrogeeli- että mikrogeelimuodossa. Tavoitteena oli vertailla solujen kasvua ja lisääntymistä kahden eri hydrogeelimateriaalin välillä ja ennen kaikkea bulkkihydrogeelien ja ekstruusiofragmentoitujen hydrogeelien välillä.

Tulosten perusteella ekstruusiofragmentoidut mikrogeelit toimivat hyvin soluviljelyssä, sillä niillä oli enemmän kudoksen kaltaisia ominaisuuksia kuin bulkkihydrogeeleillä. Mikrogeelirakenteet antoivat soluille enemmän vapaata tilaa muokkautua lähiympäristössään. Molemmat hydrogeelimateriaalit osoittivat samanlaisia ja myönteisiä tuloksia, kun ne fragmentoitiin mekaanisesti mikrogeeleiksi soluviljelysovelluksia varten. Ekstruusiofragmentointi osoittautui yksinkertaiseksi mutta tehokkaaksi menetelmäksi luoda mikrogeelipartikkeleita soluviljelysovelluksia varten. Ekstruusiofragmentointi tuotti kuitenkin monikulmion muotoisia rosoisia partikkeleita, joiden muoto ja koko vaihtelivat, mikä saattaa johtaa rajoitettuun muokattavuuteen jatkosovelluksia ajatellen. Kuitenkin ekstruusiofragmentoiduilla mikrogeelipartikkeleilla on paljon potentiaalia erilaisissa sovelluksissa, kuten soluviljelyssä, 3D-bioprinttauksessa ja haavojen parantamisessa.