Synthesis of a degradable UV-crosslinkable copolymer for the repair of articular cartilage defects

Conventional therapies for the treatment of articular cartilage defects demonstrated to suffer several drawbacks, mainly related to their invasive and damaging surgical techniques. For this reason, researches are moving towards the innovative use of tissue engineering applications in order to take advantage of the combined use of cells, biodegradable scaffolds and therapeutic molecules to stimulate cartilage repairing and regeneration. In particular, when dealing with full-thickness chondral or osteochondral defects, previous studies showed promising results using an approach based on the gradual release of therapeutic small molecules and scaffold without encapsulated cells. This thesis project was focused on the design, synthesis and characterization of degradable copolymers as matrix for the local delivery of small chondrogenic molecules for articular cartilage repair. In particular, the material was meant to be injectable and UV-photocurable in situ for a controlled deposition of a thin film either over a full-thickness chondral defect or an osteochondral defect pre-filled with ceramic granules. First, pre-copolymers made of poly(ethylene glycol)-co-poly(glycerol sebacate), PEGS, with different amounts of poly(ethylene glycol), PEG (Mw=10KDa), were synthesised and chemically and physically characterized (i.e., ATR-FTIR, 1H-NMR, XRD and Ubbelohde viscometer). Then, three different UV-crosslinking agents (i.e., MA, MOI and AC) were added at different concentrations to one PEGS pre-copolymer and screened to select the most suitable one. The screening included chemical and physical characterizations of the methacrylated copolymers (i.e., ATR-FTIR, 1H-NMR, XRD, Ubbelohde viscometer and in vitro cytotoxicity test) and evaluation of the physical and mechanical properties of the resulting photocured polymers (e.g., hardness, Young’s modulus, wear resistance, gravimetric swelling and degradation behaviour). Once the photocrosslinker and its precise amount were selected, this was incorporated in the pre-copolymers with different PEG content in order to evaluate any changing in the chemical (i.e., in vitro cell adhesion and cytotoxicity tests), mechanical (i.e., hardness and tensile tests) and degradation (i.e., in vitro degradation test) properties of their photocured polymers. Putting together all the results obtained during this thesis work, PEGS copolymer with 30% w/w of PEG (Mw=10KDa) methacrylated with MA at molar ratio of 1:0.7, thanks to its good compromise between degradation ratio and swelling degree, its best results in not inhibiting cell proliferation and its estimated Young’s modulus perfectly in the range of the compressive one for articular cartilage, is recommended for further future optimizations of a polymeric matrix for the controlled release of chondrogenic small molecules for the repair of articular cartilage defects.

Le terapie convenzionali per il trattamento di difetti della cartilagine articolare hanno dimostrato di essere caratterizzate da diverse problematiche, principalmente legate alle loro tecniche chirurgiche invasive e dannose. Per questo motivo, i ricercatori si stanno muovendo verso l’uso innovativo dell’ingegneria tissutale in modo tale da sfruttare i vantaggi dell’uso combinato di cellule, scaffold biodegradabili e molecole terapeutiche per stimolare la riparazione e rigenerazione della cartilagine. In particolare, quando si trattano difetti condrali a tutto spessore o difetti osteocondrali, studi precedenti hanno mostrato risultati promettenti usando un approccio basato sul rilascio graduale di molecole terapeutiche e scaffold privi di cellule incapsulate. Questo progetto di tesi si è focalizzato sul design, la sintesi e la caratterizzazione di copolimeri degradabili come matrici per il rilascio locale di molecole condrogeniche per la rigenerazione della cartilagine articolare. Nello specifico, il biomateriale è stato concepito per essere iniettabile e UV-fotocurabile in situ in modo tale da permettere la deposizione di un sottile film in corrispondenza di difetti condrali a tutto spessore o difetti osteocondrali riempiti con granuli ceramici. Prima di tutto, pre-copolimeri di poli(etilenglicole)-co-poli(sebacato glicerolo), PEGS, con diverse quantità di poli(etilenglicole), PEG (Mw=10KDa), sono stati sintetizzati e fisicamente e chimicamente caratterizzati (i.e., 1H-NMR, ATR-FTIR, XRD e viscosimetro di Ubbelohde). Successivamente, tre diversi agenti UV-fotoreticolanti (i.e., MA, MOI e AC) sono stati aggiunti, a diverse concentrazioni, ad un pre-copolimero PEGS e studiati in modo tale da selezionare il più idoneo per la specifica applicazione. La selezione si è basata su caratterizzazioni fisiche e chimiche dei diversi copolimeri metacrilati (i.e., 1H-NMR, ATR-FTIR, XRD, viscosimetro di Ubbelohde e test di citotossicità indiretta) e sulla valutazione delle proprietà fisiche e meccaniche dei risultanti polimeri fotoreticolati (e.g., durezza, modulo di Young, resistenza all’usura, swelling gravimetrico e comportamento a degradazione). Una volta selezionati l’agente fotoreticolante ed il suo quantitativo più idonei, questo è stato incorporato nei pre-copolimeri PEGS con diversi contenuti di PEG in modo tale da valutare qualsiasi cambiamento nelle proprietà chimiche (i.e., test di adesione cellulare e test di citotossicità indiretta), meccaniche (i.e., durezza e test uniassiale a trazione) e di degradazione (i.e., test di degradazione in vitro) dei risultanti polimeri fotoreticolati. Mettendo insieme tutti i risultati del progetto di tesi, il copolimero PEGS con il 30% w/w di PEG (Mw=10KDa) metacrilato con la MA ad un rapporto molare di 1:0,7, grazie al buon compromesso fra il suo tasso di degradazione e il suo grado di swelling, ai migliori risultati nel non inibire la proliferazione cellulare e al modulo di Young stimato perfettamente nel range di quello della cartilagine articolare, è consigliato per future ottimizzazioni di una matrice polimerica finalizzata al rilascio controllato di molecole condrogeniche per la rigenerazione di difetti della cartilagine articolare.