Stability and catechol modification of chitosan hydrogels for cell therapy

Samaei, Sepideh (2018). Stability and catechol modification of chitosan hydrogels for cell therapy. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Injectable hydrogels based on chitosan (CH), a polysaccharide biopolymer that is soluble in acidic conditions, are increasingly used for biomedical and pharmaceutical applications. To achieve the prospective applications, low viscosity before and during injection, rapid gelation, high mechanical properties, tissue-adhesion and biodegradation are required. In order to be used for cell therapy, excellent cytocompatibility is also mandatory. Merging all required properties in one formulation is still an issue as of today.

The recently designed thermosensitive CH hydrogels at Laboratory of Endovascular Biomaterials (LBeV) by using novel gelling agents, exhibit strong mechanical properties, cytocompatibility and tunable gelation time. For possible clinical transfer, the stability of the CH and gelling agent solutions is of great importance. The first objective of this master research is to study the stability of chitosan solution, gelling agents, and chitosan hydrogel over time under different storage conditions, to define how long and in which condition the storage of chitosan and gelling agents is possible while they keep their rheological properties and gelation kinetic.

The results showed that CH solution and gelling agents that stored at low temperature (4- 5°C) had less changes in comparison to those stored at room temperature.

In a second step, in order to improve the adhesive properties of the gel, the chitosan was modified by covalent grafting of catechol groups and the properties of the obtained hydrogel were characterized by studying, in particular, the impact of the addition of hydrogen chloride (HCl) in the solution of chitosan. The grafting protocol of catechol has been improved to avoid oxidation during manufacture and we have shown that hydrogels gelling at human body temperature can be formed by this method. The concentration of HCl tends to improve the adhesive properties, but to reduce the strength of the hydrogels and gelation kinetic. This study is a significant first step towards the development of a thermosensitive, cohesive and adhesive hydrogel. The next steps will be to optimize the hydrogels, to improve the understanding of the chemical mechanisms involved, and to evaluate their potential for cellular encapsulation.

Titre traduit

Stabilité et modification du catéchol des hydrogels de chitosane pour la thérapie cellulaire

Résumé traduit

Il existe un besoin croissant d’hydrogels injectables pour applications biomédicales, notamment pour la libération locale et contrôlée de cellules ou de médicaments. Pour ces applications, une faible viscosité avant et pendant l'injection, une gélification rapide, des propriétés mécaniques élevées, une adhérence tissulaire et une biodégradation sont requises. Afin qu’ils soient utilisés pour la thérapie cellulaire, une excellente cytocompatibilité est également obligatoire. Combiner toutes les propriétés requises dans une même formulation est toujours un défi à ce jour.

Des hydrogels thermosensibles à base de chitosane (CH), un biopolymère polysaccharidique soluble dans les conditions acides, ont été récemment conçus au Laboratoire de biomatériaux endovasculaires (LBeV) en utilisant de nouveaux agents gélifiants. Ils présentent de fortes propriétés mécaniques, une cytocompatibilité et un temps de gélification ajustable.

En vue d’un potentiel transfert industriel, la stabilité des solutions de CH et d'agent gélifiant est d'une grande importance. Le premier objectif de cette recherche consistait donc à étudier la stabilité de la solution de chitosane et des agents gélifiants dans le temps, dans deux conditions de stockage (temperature pièce et réfrigérateur), ainsi que leur impact sur l'hydrogel de chitosane formé.

Les résultats ont montré que la solution de CH et les agents gélifiants stockés à basse température (4-5 °C) avaient moins de changements avec le temps que ceux stockés à température ambiante.

Dans un second temps, en vue d’améliorer les propriétés adhésives du gel, le chitosane a été modifié par greffage covalent de groupements catechol et les propriétés de l’hydrogel obtenu ont été caractérisées en étudiant notamment l’impact de l’ajout de chlorure d'hydrogène (HCl) dans la solution de solubilisation du chitosane. Le protocole de greffage du catechol a été amélioré pour éviter l’oxydation au cours de la fabrication et nous avons montré que des hydrogels gélifiants à la température du corps humain peuvent être formés par ce procédé. La concentration de HCl tend à améliorer les propriétés adhésives, mais à diminuer la propriété mécanique des hydrogels et la cinétique de gélification.

Cette étude constitue un premier pas significatif vers le développement d'un hydrogel thermosensible, cohésif et adhésif. Les prochaines étapes consisteront à optimiser les hydrogels, à améliorer la compréhension des mécanismes chimiques impliqués, et à évaluer leur potentiel d'encapsulation cellulaire.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master's degree with thesis in healthcare technology engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 87-93).
Mots-clés libres:	hydrogels de chitosane, stabilité, catéchol, modification, adhésion tissulaire, biomatériaux
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Lerouge, Sophie
Codirecteur:	Codirecteur Cerruti, Marta
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie
Date de dépôt:	01 nov. 2018 15:34
Dernière modification:	01 nov. 2018 15:34
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2105

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