Nanocellulose-based injectable hydrogels loaded with bioglass to improve mineralization

Hydrogels, due to their structural similarity to the natural ECM, biocompatibility, tunable viscoelasticity, high water content and high permeability for oxygen and essential nutrients are still the most desirable options for several biomedical applications. In detail, the focus of the following work concerns bone regeneration due to surgical removal of neoplasia. Hybrid hydrogels are growing in demand because, unlike hydrogels which are composed of a single material, they are able to combine qualities of organic and inorganic materials and reduce both drawbacks. The aim of this work is to designed and characterized an injectable cellulose-based hydrogel with bioglass or bioglass doped with black phosphorous particles as an inorganic component. In particular, cellulose nanofibers were obtained by TEMPO-oxidation of a commercial cellulose. Bioglass (BG) and black phosphorous (BP) are chosen because: the first one makes the hydrogel bioactive and allows good mineralization, while BP is used to inhibit the growth of cancer cells. Hybrid hydrogels were prepared by loading BG (0.5 or 3 mg/mL) or BP (3 mgmL) in an aqueous dispersion of TEMPO-oxidated cellulose (4% w/w). All gels after undergoing the swelling test can be considered with good stability and they show an excellent bioactivity when mineralized through a polymer induced liquid precursor biomimetic process; these results are proven by XRD analysis and SEM images. Considering the rheological tests: the recovery ratio has a high value for all samples, the time to reach 100% of the recovery can be evaluated as good and all gels can be easily injected by a syringe with an 18 G needle. All hydrogels have a thixotropic and a shear-thinning behavior as shown in rheological and injectability tests. Produced hydrogels are not cytotoxic as shown in indirect cytotoxic assays for both types of cells: pre-osteoblast MC3T3-E1 and SAOS-2. Some of the requirements for the design of a hydrogel for bone regeneration have been satisfied in the following work.

Gli idrogeli, grazie alla loro somiglianza strutturale con la ECM naturale, alla biocompatibilità, alla viscoelasticità modulabile, all'elevato contenuto di acqua e all'alta permeabilità all'ossigeno ed ai nutrienti essenziali, sono tutt’ora le opzioni più utilizzate per diverse applicazioni biomediche. Più precisamente, l'applicazione del seguente lavoro riguarda la rigenerazione ossea dovuta alla rimozione chirurgica di neoplasia. Gli idrogeli ibridi sono sempre più richiesti perché, a differenza degli idrogeli composti da un unico materiale, sono in grado di combinare le qualità dei materiali organici e inorganici e di ridurre gli svantaggi di entrambi. Lo scopo di questo lavoro è quello di progettare e caratterizzare un idrogelo iniettabile a base di cellulosa con particelle di biovetro o biovetro e fosforo nero come componente inorganica. In particolare, le nanofibre di cellulosa sono state ottenute per TEMPO ossidazione di cellulosa commerciale. Il biovetro (BG) e il fosforo nero (BP) sono stati scelti perché: il primo rende l'idrogel bioattivo e consente una buona mineralizzazione, mentre il BP è utilizzato per inibire la crescita delle cellule tumorali. Gli idrogeli sono stati preparati caricando BG (0.5 o 3 mg/mL) o BP (3 mg/mL) in una dispersione acquosa di cellulosa TEMPO-ossidata (4% w/w). Tutti i gel, dopo essere stati sottoposti a test di degradazione, possono essere considerati con una buona stabilità e mostrano un'eccellente bioattività quando vengono mineralizzati attraverso un processo polymer-induced liquid precursor; questi risultati sono dimostrati dall'analisi XRD e dalle immagini SEM. Considerando i test reologici: il rapporto di recupero ha un valore elevato per tutti i campioni e il tempo per raggiungere il 100% del recupero può essere valutato come buono; tutti i gel possono essere facilmente iniettati da una siringa con un ago da 18 G. Tutti gli idrogeli hanno un comportamento tissotropico e pseudoplastico, come dimostrato dai test reologici e di iniettabilità. Gli idrogeli prodotti non sono citotossici, come dimostrato da saggi di citotossicità indiretta per entrambi i tipi di cellule: pre-osteoblasti MC3T3-E1 e SAOS-2. Alcuni dei requisiti necessari per la progettazione di un idrogelo iniettabile per la rigenerazione ossea, sono stati soddisfatti nel seguente lavoro.