Synthesis, characterization, and 3D bioprinting of Gelatin Methacrylol (GelMA) for ophthalmological applications

This project has been carried out in the Chemical Engineering Department of Politecnico di Milano to investigate a modified GelMA-based bioink printability for ophthalmological applications. Initially, it was started with modification of the GelMA synthesis parameters to optimize its degree of functionalization (DoF). Subsequently, it was followed by the incorporation of a thickening agent to modify the printability characterization and to achieve the best-printed structure stability, integrity, and resolution. The highest resolution in 3D bioprinting means the similarity between the printed structure and the intended 3D model. To be more elaborated upon that, gelatin as a widely used natural polymer has been functionalized with methacrylate anhydride (MA) and get employed as the hydrogel for the given target. During GelMA synthesis, a design of experiment (DOE) is considered to obtain the optimized parameter values to reach the highest degree of functionalization. The highly functionalized GelMA keeps us closer to the qualified and ideal 3D bioprinting purposes thanks to the denser chemically cross-linked regions. These regions are the bonds that hold the printed structure tighter and more integrated. Given so, multiple characterization tests were employed to evaluate the degree of functionalization both in qualitatively and quantitatively manners, FTIR, HNMR characterizations, and TNBS assay to name a few. Eventually, GM 01.025CB as a CB-based buffer GelMA yielded a high degree of methacrylation among other trials. Considering GM01.025CB hydrogel for further 3D-bioprinting studies, Xanthan Gum was utilized in the hydrogel composition as a thickening agent to optimize the printability resolution. A slightly lessened swelling degree was observed in the GM/XG hydrogel compared to the GM hydrogel (without Xanthan Gum). This lessened swelling degree was even intensified in higher Xanthan Gum concentrations. In the meantime, an extended degradation lifetime was obtained in the case of Xanthan Gum incorporated hydrogels which is quite favored by biomedical characterizations such as cell viability and proliferation. Xanthan Gum's addition to the hydrogel paved the way toward avoiding the highly concentrated GelMA hydrogels, which is counted as an old-fashioned and traditional approach to achieve modified printability results. This attitude is admirable from a biomedical characterization and an economic point of view.

Questo progetto è stato realizzato nel Dipartimento di Ingegneria Chimica del Politecnico di Milano e mira a studiare stampabilità di un bioink modificato a base di GelMa per applicazioni oftalmologiche. In una prima fase, i parametri di sintesi del GelMa sono stati modificati in modo da ottenere un grado di funzionalizzazione (DoF) ottimale. Successivamente, viene studiata l’introduzione di un addensante per modificarne la stampabilità e ottenere una migliore stabilità, integrità e risoluzione della struttura stampata. La massima risoluzione nella 3D bioprinting implica la somiglianza tra la struttura stampata e il modello 3D associato ad essa. Per ottenerla, la gelatina, polimero naturale ampiamente utilizzato, è stata funzionalizzata con anidride metacrilica (MA) e viene impiegata come idrogel per questo scopo. Durante la sintesi del GelMA viene implementato un Design of Experiments (DOE), in modo da ottenere l’ottimizzazione dei parametri per raggiungere il più alto grado di funzionalizzazione. Il GelMA altamente funzionalizzato è quello che più si avvicina agli scopi ideali di 3D bioprinting, grazie alle più dense regioni chimicamente reticolate. Queste regioni sono i legami che tengono la struttura stampata più stretta e compatta. Detto questo, sono stati utilizzati diversi test di caratterizzazione per valutare il grado di funzionalizzazione, sia in modo qualitativo che quantitativo: caratterizzazioni FTIR, HNMR e test TNBS per citarne alcuni. Alla fine, GM 01.025CB come tampone a base CB GelMA ha prodotto un alto grado di metacrilazione tra gli altri campioni. Considerando l'idrogel GM01.025CB per gli ulteriori studi di bioprinting 3D, la gomma di xantano è stata introdotta nella composizione dell'idrogel come addensante, in modo da ottimizzare la risoluzione della stampabilità. Un grado di rigonfiamento leggermente ridotto è stato osservato nell'idrogel GM/XG rispetto all'idrogel GM (senza gomma di xantano). Questo grado di rigonfiamento ridotto è stato persino migliorato utilizzando concentrazioni più elevate di gomma di xantano. Nel frattempo, è stata ottenuta una resistenza alla degradazione maggiore nel caso di idrogel incorporati con gomma di xantano, che è abbastanza utile per fattori biomedici come la vitalità cellulare e la proliferazione. L'aggiunta di gomma di xantano nell'idrogel è un’alternativa promettente per evitare di utilizzare gli idrogel GelMA altamente concentrati, essendo questo un approccio vecchio stile e tradizionale per ottenere un risultato di stampabilità modificato. Questa nuova prospettiva è ammirevole, sia da un punto di vista dell’applicazione biomedica che da un punto di vista economico.