Scriptiebank overzicht

Mijn masterthesis onderzoekt innovatieve hydrogels als stralingsbescherming voor toekomstige ruimtemissies. Daarnaast werd een menselijk driedimensionaal huidmodel ontwikkeld om de biologische effecten van ruimtestraling te bestuderen en in de toekomst de beschermende werking van deze hydrogels te evalueren.

Fotocrosslinkbare gelatinederivaten worden veel gebruikt als biomaterialen voor lichtgebaseerde bioprinttechnieken. Tot de meest gevestigde materialen behoren gelatine-methacryloyl (GelMA) en gelatine-norborneen (GelNB), dankzij hun gunstige mechanische eigenschappen, goede verwerkbaarheid en biocompatibiliteit. Voortbouwend op de voordelen van beide systemen werd een dubbel photocrosslinkable gelatinederivaat ontwikkeld, gelatine-methacryloyl-norborneen (GelMANB), dat chain growth - en step growth-polymerisatie combineert. Hiermee wordt de afstembaarheid van het materiaal vergroot voor toepassingen binnen de longweefselengineering.

GelMANB werd gesynthetiseerd en gekarakteriseerd met protonkernspinresonantiespectroscopie (1H-NMR) om de substitutiegraden (DS) van zowel de methacryloyl- als de norborneengroepen te bepalen. Bioresins werden geformuleerd met verschillende polymeerconcentraties en gecrosslinkt met diverse thiolhoudende crosslinkers, waaronder dithiothreitol (DTT), polyethyleenglycoldithiol (PEG2SH), gethioleerde gelatine (GelSH) en een nieuw ontwikkeld gethioleerd elastine (ElnSH). De fysisch-chemische eigenschappen werden geëvalueerd aan de hand van photorheology, tensile test, frequentiesweepanalyses, gel-fractie- en zwelstudies. De verwerkbaarheid werd onderzocht met behulp van volumetric additive manufacturing (VAM). Daarnaast werden celbeladen GelMANB-bioresins gebioprint en werd de biocompatibiliteit geëvalueerd met MRC-5-fibroblasten via post-printing assays voor celviabiliteit en proliferatie.

1H-NMR-analyses bevestigden een succesvolle dubbele functionalisatie van gelatine met een afstembare substitutiegraad. GelMANB vertoonde een breed en controleerbaar spectrum aan mechanische eigenschappen, afhankelijk van de polymeerconcentratie en de gekozen crosslinker. De incorporatie van GelSH resulteerde in stijvere hydrogels, terwijl DTT en ElnSH materialen opleverden met mechanische eigenschappen die beter aansluiten bij die van longweefsel. Opmerkelijk was dat GelMANB/ElnSH-bioresins een hogere cytocompatibiliteit vertoonden dan GelMA-gebaseerde systemen.

Deze resultaten tonen aan dat GelMANB een veelzijdig en celvriendelijk fotocrosslinkbaar biomateriaal is voor lichtgebaseerde bioprinttechnieken. Dankzij de verbeterde afstembaarheid en verhoogde biologische relevantie biedt dit materiaal een veelbelovend platform voor de vervaardiging van fysiologisch relevante longweefselmodellen.

Dit onderzoek focust op nanogeneeskunde, in het bijzonder voor pulmonale geneesmiddeltoediening, waarbij zowel de beperkte wateroplosbaarheid van veel geneesmiddelen als de barrièrefunctie van mucus belangrijke formulatie uitdagingen vormen. Apremilast (APR), een slecht wateroplosbare fosfodiësterase 4 inhibitor met therapeutisch potentieel voor cystic fibrosis (CF), vereist een formulering die de oplosbaarheid verhoogt en diffusie door mucus mogelijk maakt. De centrale vraag is of APR nanokristallen (NCs) diffunderen door gezonde en CF-mucusmodellen en welke formulatie en mucusgerelateerde parameters deze diffusie bepalen. Hiervoor beoogt dit onderzoek de ontwikkeling en karakterisering van APR NCs, het formuleren van gezonde en CF mucusmodellen en de evaluatie van APR NC transport doorheen deze barrières.
APR NCs worden geproduceerd via geminiaturiseerde natte kogelmaling (WBM) en gestabiliseerd met Lutrol F127 (Lut), natriumcholaat (NaChol) of NaChol gecombineerd met chitosan HCl (Chit). De NCs worden gekarakteriseerd op deeltjesgrootte, polydispersiteit, zeta potentiaal (ZP) en structurele integriteit. Alle formuleringen leveren gemiddelde deeltjesgroottes onder 250 nm, ruim binnen het vereiste bereik van 200–400 nm en FT IR bevestigt dat APR zijn structuur behoudt. Na één maand opslag bij 4 °C worden kleine deeltjesgroottetoenames gezien voor APR NaChol en APR Chit NaChol. De ZP weerspiegelt de gebruikte stabilisator en duidt op matig stabiele dispersies. Gezonde en CF mucusmodellen met en zonder mucine worden ontwikkeld en gevalideerd via reologie. Shear thinning en visco elastisch gedrag wordt waargenomen, kenmerkend voor luchtwegmucus. CF modellen vertonen hogere viscositeiten en moduli dan gezonde modellen, conform met literatuurgegevens. De diffusie van APR NCs door de mucusmodellen wordt beoordeeld met Franz cellen en gekwantificeerd via HPLC. In alle mucinebevattende modellen is de permeatie van de drie APR NC formuleringen na 6 u consequent 14–40% lager dan in de mucinevrije varianten, wat aangeeft dat mucine een meer restrictieve en fysiologisch realistische diffusiebarrière vormt. In het CF-model met mucine vertoont APR Lut de hoogste permeatie na 6u, waarbij ongeveer 50% geneesmiddeldiffusie wordt bereikt, APR NaChol vertoont een zeer vergelijkbaar niveau en APR Chit NaChol vertoont duidelijk minder permeatie.
Dit onderzoek benadrukt dat WBM de controle over deeltjesgrootte en oppervlaktesamenstelling van NCs mogelijk maakt, waarbij de stabilisator de uiteindelijke oppervlakte eigenschappen en daarmee de mucusdiffusie bepaalt. Een geschikte stabilisator moet een muco inert, sterisch gehydrateerd en neutraal oppervlak creëren dat elektrostatische en hydrofobe interacties met mucine minimaliseert. Dit onderzoek bevestigt de waarde van alginaat/mucine hydrogels als reproduceerbaar platform voor vroege screening van mucustransport. Toekomstig werk omvat langetermijn stabiliteitsstudies, extra oppervlaktemodificaties van NCs en de incorporatie van meer CF specifieke componenten in de mucusmodellen.

Vloeibaar water van hoge kwaliteit is een van de belangrijkste zaken op aarde. Deze moet koste wat het kost behouden blijven. Bedrijven en gemeenschappen dragen hieraan toe door hun afvalwater te zuiveren, alvorens het in de natuur te lozen. Hoewel dit proces zorgt voor natuurlijke wateren van hogere kwaliteit, heeft dit proces ook zijn keerzijde, namelijk de productie van enorme hoeveelheden afvalslib. Tot hiertoe is nog geen grootschalige toepassing gevonden voor het recycleren van deze afvalstroom. Met dit werk, wil ik graag kijken naar een mogelijke toepassing van het afvalslib, meer bepaald het gebruik van EPS als hydrogel. Hierbij wordt gekeken naar de verschillende stappen van dit proces.

In een eerste stap wordt gekeken welke componenten het meeste potentieel tonen om gebruikt te worden. in een bepaalde toepassing. Na een literatuurstudie blijkt dat de extracellulaire polymere substanties of EPS het meeste potentieel tonen. Het proces gaande van afvalslib naar toepassing van EPS bestaat echter uit heel wat verschillende stappen. Deze thesis focust op deze verschillende stappen, vertrekkend bij de extractie van EPS uit het afvalslib. In dit werk worden vier extractieprotocols met elkaar vergeleken, aan de hand van kwalitatieve en kwantitatieve criteria. Op basis hiervan is het meest optimale extractieprotocol geselecteerd.

In een volgende stap zijn dan EPS'en van verschillende bronnen chemisch gekarakteriseerd, om na te gaan of EPS van verschillende bronnen ook verschillende samenstellingen hebben. Met behulp van verschillende technieken blijkt dat de samenstelling van EPS soortafhankelijk is. Elke bron van EPS resulteert dus in materiaal met een unieke compositie.

Om vervolgens na te gaan wat voor effecten dit heeft op de toepassingen van EPS, zijn EPS van vier verschillende industriële slibben gebruikt om hydrogels te maken, aan de hand van een 3D-geprinte mal. Met behulp van reologie zijn dan de mechanische eigenschappen van deze hydrogels getest. Deze resultaten zijn vervolgens gebruikt om het mechanisch gedrag van de EPS te linken aan hunchemische samenstelling. Door de complexe compositie van de EPS was het vinden van zo'n relatie echter niet mogelijk.

Een van de grootste uitdagingen in tissue engineering is het creëren van functionele bloedvaten binnen artificiële weefsels. Deze studie onderzoekt het gebruik van alginaat als porogen om na het printen poriën te creëren in bio-inkt, wat de vorming van vasculaire netwerken bevordert.
De eigenschappen van alginaat als porogen werden geëvalueerd, evenals het evenwicht tussen volledige verwijdering van alginaat en de impact daarvan op cellevensvatbaarheid. De optimale combinatie van GelMA en porogen werd bepaald op basis van printbaarheid en effecten op de cel fysiologie van ingekapselde cellen. GelMA-Porogen leverde bij elke celtest betere resultaten op dan GelMA alleen, wat het tot een geschikte biomateriaalcombinatie maakt voor de vorming van vasculaire netwerken.

In het kader van botweefsel engineering worden hydrogels geprint met behulp van een bioprinter. De focus ligt op het bestuderen van de eigenschappen van deze hydrogels enerzijds en het printproces, met het oog op de optimalisatie van de print parameters, anderzijds.

De ladingscapaciteit, stabiliteit en de activiteit van het geladen enzym worden geëvalueerd voor calciumcarbonaat partikels. Deze wordt vergelijken met geëncapsuleerde calciumcarbonaat partikels en liposomen.

3D printen van een hoornvlies‘Tissue engineering’ (TE) is vandaag de dag een van de meest prikkelende onderzoeksdomeinen in de medische wereld. Bovendien veroorzaken de via deze weg geleverde donorweefsels een ethische discussie, wat van TE een veelbesproken onderwerp maakt bij zowel specialisten als leken. Deze studie onderzoekt de mogelijkheid naar het 3D printen van een hoornvlies. Het hoornvlies is de buitenste laag van het oog en is samen met de pupil en de lens verantwoordelijk voor lichttransmissie naar het netvlies.