Primena biomimičnih bioreaktora u dizajniranju i karakterizaciji novih biomaterijala za inženjerstvo tkiva

Abstract

Cilj istraživanja u ovoj doktorskoj disertaciji je bila primena biomimičnih bioreaktora zasveobuhvatnu i fiziološki relevantnu karakterizaciju novih bioaktivnih biomaterijala za potencijalnuprimenu u inženjerstvu tkiva, a time i razvoj novih metodologija za pouzdanu evaluacijubiomaterijala. Ispitani su nanokompozitni hidrogelovi alginata sa nanočesticama srebra zainženjerstvo tkiva artikularne hrskavice i hidrogelovi gelanske gume sa nanočesticama bioaktivnogstakla za inženjerstvo tkiva kosti i osteohondralnog tkiva primenom dva biomimična bioreaktora:protočnog i bioreaktora sa dinamičkom kompresijom. Poseban cilj ove disertacije je bio i razvojnovog bioreaktora za inženjerstvo tkiva intervertebralnog diska.Ispitivanja nanokompozitnih Ag/alginatih hidrogelova baziranih na dve vrste alginatapokazala su da polazni sastav alginata utiče na veličinu i kinetiku otpuštanja nanočestica srebra imehaničke karakteristike hidrogelova u fiziološki relevantnim bioreaktorskim uslovima, na osnovukojih je određena njihova potencijalna primena. Kinetika otpuštanja srebra je uspešno modelovanaprenosom mase difuzijom i konvekcijom.Makroporozni hidrogelovi na bazi gelanske gume i bioaktivnog stakla sa otvorenim poramasu dobijeni unapređenom procedurom, a u fiziološki relevantnim uslovima u protočnom bioreaktorudošlo je do značajnog formiranja kalcijum fosfata i poboljšanja mehaničkih karakteristika.Razvijena je i jednostavna metoda za dobijanje dvofaznih osteohondralnih implantata sa dobromintegracijom između slojeva.Rezultati dobijeni u ovoj doktorskoj disertaciji su potvrdili značaj i široki potencijal primenebiomimičnih bioreaktora i sprovedene metodologije u više naučnih oblasti, od razvoja novihbiomaterijala i inženjerstva tkiva do nanotoksikologije i biologije ćelija.

The aim of this doctoral dissertation was application of biomimetic bioreactors forcomprehensive and physiologically relevant characterization of novel, bioactive biomaterialsintended for tissue engineering (TE), and, consequently development of new methodologies forreliable biomaterial evaluation, as well. The focus was on nanocomposite alginate hydrogels withsilver nanoparticles (AgNPs) for articular cartilage TE and gellan gum hydrogels with bioactiveglass nanoparticles (GG-BAG) for bone and osteochondral TE, while two biomimetic bioreactorswere applied: perfusion and a bioreactor with dynamic compression. The specific goal of thisdissertation was also development of a novel bioreactor for intervertebral disc TE.Investigation of nanocomposite Ag/alginate hydrogels based on two alginate types hasshown that the initial alginate composition affects the size and release kinetics of AgNPs, as well ashydrogel mechanical properties under physiologically relevant bioreactor conditions, whichindicated the potential use for each alginate hydrogel type. The silver release kinetics wassuccessfully modeled by mass transfer by diffusion and advection-diffusion.Macroporous GG-BAG hydrogels with open pores were obtained by a novel procedure.Physiologically relevant conditions in perfusion bioreactors enhanced calcium phosphate formationand improved hydrogel mechanical properties. Also, a simple method was developed for obtainingbiphasic osteochondral implants with good integration between layers.The obtained results indicate the significance and vast potentials of biomimetic bioreactorsand methodologies developed in this doctoral dissertation for applications in different scientificfields from biomaterials science and TE to nanotoxicology and cell biology.