Optimization of an osteoarthritic joint-on-a-chip model based on a photocrosslinked hyaluronic acid and collagen hydrogel

Osteoarthritis (OA) is the most common joint disease worldwide and its prevalence increases in elderly population. Despite this, in vitro models that resemble the inflammatory joint environment that affect the entire OA joint have not yet been developed. The aim of this thesis is the optimization of an OA joint-on-a-chip model. Firstly, we developed a polymeric matrix for better mimicking the features of the cartilage tissue. Natural polymers, such as hyaluronic acid and collagen, are the elected material for cartilage tissue engineering. Therefore, a polymeric network, made of methacrylated Collagen type I (ColMA) and methacrylated Hyaluronic Acid (HAMA), was developed by varying the ratio between the two polymers. The photocrosslinking of the polymeric network was triggered by UV light (365 nm) and Lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate (LAP) as photoinitiator. A first screening of the hydrogel properties was carried out outside the microfluidic device and it showed a good cells viability and metabolic activity. Furthermore, the tested hydrogels supported the appropriate 3D matrix for a cartilaginous microenvironment for cells. Afterwards, the most promising matrix was implemented in the cartilage compartment of our microfluidic device. In particular, the microfluidic device in PDMS is composed by five channels: the central channel filled with synovial fluid or serum free medium, the upper channel with synovial fibroblasts embedded in fibrin gel, the lower channel with chondrocytes-laden HAMA/ColMA hydrogels and the two peripheral channels filled with culture medium. The hydrogel properties such as injectability, stability and diffusion capacity were investigated within the device. After the injection of the 3D support matrix, the hydrogels did not show any degradation or retraction over time. Moreover, an increase in cells viability was observed with the addition of synovial fluid into the central channel of the microfluidic device and with a decrease in the light intensity and exposure time. In conclusion, the best-performing hydrogel allowed us to culture chondrocytes in a 3D environment closer to the in vivo one, allowing to obtain a more relevant joint-on-chip model. This model can be further employed to better elucidate the crosstalk between articular cells and as screening platform for the evaluation of OA therapeutic approaches.

L'osteoartrite (OA) è la malattia articolare più comune al mondo e la sua prevalenza aumenta nella popolazione anziana. Nonostante ciò, i modelli in vitro che assomigliano all'ambiente articolare infiammatorio che interessano l'intera articolazione OA non sono stati ancora sviluppati. Lo scopo di questa tesi è l'ottimizzazione di un modello OA joint-on-a-chip. In primo luogo, abbiamo sviluppato una matrice polimerica per mimare meglio le caratteristiche del tessuto cartilagineo. I polimeri naturali, come l'acido ialuronico e il collagene, sono i più utilizzati nell’ingegneria dei tessuti cartilaginei. Pertanto, una rete polimerica, composta da collagene metacrilato tipo I (ColMA) e acido ialuronico metacrilato (HAMA), è stata sviluppata variando il rapporto tra il due polimeri. La fotoreticolazione della rete polimerica è stata innescata dalla luce UV (365 nm) e dal Litio fenil-2,4,6-trimetilbenzoilfosfinato (LAP) come fotoiniziatore. Un primo screening delle proprietà dell'idrogel è stato effettuato all'esterno del dispositivo microfluidico e ha mostrato una buona vitalità cellulare e una buona attività metabolica. Inoltre, gli idrogel testati hanno supportato la matrice 3D appropriata per un microambiente cartilagineo per le cellule. Successivamente, la matrice più promettente è stata implementata nel compartimento cartilagineo del nostro dispositivo microfluidico. In particolare, il dispositivo microfluidico in PDMS è composto da cinque canali: il canale centrale è riempito di liquido sinoviale o mezzo privo di siero, quello sopra il canale centrale contiene fibroblasti sinoviali incorporati nel gel di fibrina e quello sotto invece contiene i condrociti incorporati nelgli drogel HAMA/ColMA I due canali periferici sono stati riempiti con terreno di coltura (mezzo senza siero per fibroblasti e mezzo condrogenico per condrociti). Sono state studiate le proprietà dell'idrogel come iniettabilità, stabilità e capacità di diffusione. Dopo l'iniezione della matrice di supporto 3D nel dispositivo microfluidico, si è visto che gli idrogel erano stabili nel tempo. Inoltre, è stato osservato un aumento della vitalità cellulare con l'aggiunta di liquido sinoviale nel canale centrale del dispositivo microfluidico e con una diminuzione dell'intensità della luce e del tempo di esposizione. In conclusione, l'idrogel più performante ci ha permesso di coltivare condrociti in un ambiente 3D più vicino a quello in vivo, permettendo di ottenere un modello joint-on-chip più rilevante. Questo modello può essere ulteriormente impiegato per studiare la comunicazione reciproca tra cellule articolari e inoltre può essere utilizzato come piattaforma di screening per la valutazione degli approcci terapeutici dell'OA.