Mechanical Properties of Alginate Anisotropic Capillary Hydrogels for Directed Regeneration in Spinal Cord Injury

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	29 July 2024
Referee:	Prof. Dr. Rainer Müller
Date of exam:	28 July 2023
Institutions:	Chemistry and Pharmacy > Institut für Physikalische und Theoretische Chemie > Chair of Chemistry VI - Physical Chemistry (Solution Chemistry) > PD Dr. Rainer Müller
Keywords:	Hydrogels, Anisotropy, Viscoelasticity, Oscillatory rheometry, Microindentation, Crosslinking, Alginate, Spinal Cord Injury
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 540 Chemistry & allied sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	54679

Abstract (English)

Injury to the adult spinal cord and its ascending and descending axonal pathways can arise the debilitating condition known as spinal cord injury. In order to restore the connectivity between the brain and the periphery of the human body, a large effort has been put into understanding and solving the multifaceted complications, that this injury entails. Besides cell-based approaches, biomaterials ...

Abstract (English)

Injury to the adult spinal cord and its ascending and descending axonal pathways can arise the debilitating condition known as spinal cord injury. In order to restore the connectivity between the brain and the periphery of the human body, a large effort has been put into understanding and solving the multifaceted complications, that this injury entails. Besides cell-based approaches, biomaterials as a standalone solution, or in combination with cells, offer a wide array of benefits in aiding the repair process of such conditions. Strategies deploying these materials harbor many advantages compared to the common treatment of spinal cord injury, as the structures are able to mimic the properties of natural tissues, such as the extracellular matrix of the spinal cord. To improve the biocompatibility of biomaterials as an implant, lots of efforts have addressed their functionalization with cells and biological factors, but less so their mechanical conformity to the properties of the targeted tissue. With that in mind, a physical guidance structure was provided by fabricating alginate-based capillary hydrogels, whose mechanical properties were adjusted to occupy a wide range of mechanical properties in microindentation and shearing experiments. The implants were designed to match the mechanical properties, that were identified for human and animal spinal cord tissue, by altering the gelation and chemical-crosslinking procedure of the fabrication methodology. Besides the mechanical properties, the overall morphology of the capillary scaffold was adjusted to enhance its capabilities regarding the infiltration of host tissue, while still providing guidance cues for a directed axonal regrowth in the anisotropic material.

Translation of the abstract (German)

Verletzungen am Rückenmarksgewebe und dessen auf- und absteigenden Axonen kann die sogenannte "spinal cord injury" nach sich ziehen. Um danach die Konnektivität zwischen dem Gehirn und den peripheren Bereichen des Körpers zu regenerieren, wurden weitreichende Untersuchungen angestrengt um die multidisziplinaren Komplikationen dieser Verletzung zu verstehen und zu behandeln. Neben Zell-basierten ...

Translation of the abstract (German)

Verletzungen am Rückenmarksgewebe und dessen auf- und absteigenden Axonen kann die sogenannte "spinal cord injury" nach sich ziehen. Um danach die Konnektivität zwischen dem Gehirn und den peripheren Bereichen des Körpers zu regenerieren, wurden weitreichende Untersuchungen angestrengt um die multidisziplinaren Komplikationen dieser Verletzung zu verstehen und zu behandeln. Neben Zell-basierten Ansätzen, können auch Biomaterialien, entweder als solche oder in Kombination mit Zellen, eingesetzt werden um den Regenerationsprozess zu unterstützen. Um die Biokompatibilität von Biomaterialien in solchen Applikationen zu optimieren wurden diese bisher in erster Linie mit Zellen und biologischen Faktoren funktionalisiert, wobei deren mechanische Eigenschaften nur wenig beachtet wurden. Zu diesem Zweck wurde in dieser Arbeit eine physikalische Leistruktur durch Alginat Kapillarhydrogele realisiert, wobei die mechanischen Eigenschaften der Gele so angepasst wurden, dass diese ein breites Spektrum in Rheometrie und Microindentationsversuchen abdecken. Insbesondere wurde dabei der Bereich an mechanischen Eigenschaften fokussiert, welcher auch von nativem Rückenmarksgewebe abgedeckt wird. Durch eine Variation spezifischer Gelatierungs- und Quervernetzungsparameter wurden neben den mechanischen Eigenschaften auch die allgemeine Struktur des Kapillargerüsts so optimiert, dass ein gerichtetes Einwachsen von Axonen in einer Rückenmarksverletzung in das permissive Material gewährleistet werden kann.

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