Bioactive chitosan-collagen gels for repairing bone defects

The goal of the work was to optimize the composition, to synthesize and to study the physicochemical properties of chitosan - collagen hydrogels. These hydrogels were obtained from natural polymers: collagen and chitosan. Genipin was used as a crosslinking agent. The active component of the gel was an enzyme - alkaline phosphatase (ALP) immobilized in halloysite nanotubes (HAL-ALP). The first stage of the work was the optimization of the hydrogels, which consisted in choosing the appropriate ratio of chitosan to collagen (CHIT/COL weight ratios of 70:30, 75:25 and 80:20 were tested) and adjusting the time of crosslinking of the individual hydrogels. The composition characterized by the most optimal crosslinking time (CHIT/COL 80:20) was selected and the physicochemical properties of the starting hydrogel and hydrogel containing 30 wt% of halloysite (carrier nanoclay) and hydrogel containing 30 wt% of HAL-ALP were obtained and examined. Measurements of the swelling ratio and wetting angle of the tested hydrogels were carried out, and their morphology was examined using scanning electron microscopy (SEM).In the next stage, a biomineralization process was carried out for the hydrogel containing the bioactive component (HAL-ALP), in a solution of calcium glycerophosphate (ALP substrate) at a concentration of 0.01 M and 0.1 M. The biomineralization process was carried out for 48 hours and also for one week. To assess the progress of the mineralization process, SEM measurements were performed and X-ray microanalysis (EDS) was carried out. The preformed studies have shown that in the biomineralization process, the mineral, calcium phosphate, is gradually build up on the halloysite nanotubes present in the hydrogel,. Thus, the bioactive hydrogel obtained has promising properties as a material for bone fillings.

Celem pracy była optymalizacja składu, synteza oraz zbadanie właściwości fizykochemicznych hydrożeli chitozanowo–kolagenowych. Do ich otrzymania użyto naturalnych polimerów: kolagenu i chitozanu. Czynnikiem sieciującym była genipina. Składnikiem aktywnym żelu był enzym – fosfataza alkaliczna immobilizowana w nanorurkach haloizytu (HAL-ALP). Pierwszym etapem pracy była optymalizacja hydrożeli, polegająca na dobraniu odpowiedniego stosunku chitozanu do kolagenu (badano stosunki wagowe CHIT/COL: 70:30, 75:25 oraz 80:20) oraz sprawdzenie długości czasu sieciowania poszczególnych hydrożeli. Gdy wybrano stosunekzapewniający najbardziej optymalny czas sieciowania (CHIT/COL 80:20), otrzymano i zbadano właściwości fizykochemiczne wyjściowego hydrożelu oraz hydrożelu zawierającego 30% wagowych haloizytu (nanoglinki będącej nośnikiem) oraz hydrożelu zawierającego 30% wagowych HAL-ALP. Przeprowadzono pomiary stopnia pęcznienia oraz kąta zwilżania badanych hydrożeli, zbadano również ich morfologię z wykorzystaniem skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM). W kolejnym etapie dla hydrożelu zawierającego składnik bioaktywny (HAL-ALP) przeprowadzono proces biomineralizacji w roztworze glicerofosforanu wapnia (substratu ALP) o stężeniu 0,01 M oraz 0,1 M. Proces biomineralizacji prowadzono przez 48 godzin oraz przez tydzień. W celu oceny postępu procesu mineralizacji wykonano pomiary SEM oraz przeprowadzono mikroanalizę rentgenowską (EDS). Badania wykazały, że w procesie biomineralizacji na nanorurkach haloizytu obecnych w hydrożelu stopniowo narasta minerał, fosforan wapnia. Zatem otrzymany bioaktywny hydrożel wykazuje obiecujące właściwości jako materiał do wypełnień kostnych.