Encapsulation of pancreatic islets/nanoparticles within biofunctional poly (ethylene glycol) (PEG) hydrogel

Abstract

PEG hidrojelleri, ayarlanabilir yapıları, mekanik özellikleri, yüksek su tutma kapasiteleri ve biyo uyumlulu olmaları sayesinde biyomedical mühendisliği, ilaç uygulamaları, biyomateryal bilimi alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Bu çalışmada, yüzeyden başlayan polimerizasyon yöntemi kullanılarak hücre ve nanoparçacık yüzeylerini PEG hidrojeli ile kaplama yöntemi geliştirilmiştir. İlk etapta, PEG hidrojeli, şişme ve kalınlık özellikleri bakımından incelenmek amacıyla, photo başlatıcı tespit edilmiş silicon yüzey üzerinde oluşturulmuştur. Sonrasında, bu teknik pankreas adacıklarını ve manyetik demir oksit nanoparçacıklarını biyolojik işlev gösterebilen PEG hidrojeli ile kaplamak üzere düzenlenmiştir. Uygulanan canlılık ve biyolojiik işlev testleri yardımıyla, insulin sentezlenmesini destekleyen biyolojik molekül bağlı PEG hidrojeli kaplanmış adacıkların, kontrol grubu adacıklarına göre insulin sentezleme yeteneklerinin önemli şekilde arttığı gözlenmiştir. Hücre yapışma biyolojik molekülü bağlı PEG hidrojeli kaplanmış nanoparçacıkların ise toksik etki göstermemelerinin yanında hidrojel ile kaplanmamış nanoparçacıklara göre yüksek oranda HeLa hücrelerine girebildikleri belirlenmiştir. Sonuç olarak, biyolojik işlevli PEG hidrojeli kaplama teknolojisinin hem adacık kaplanmasında hem de nanoparçacık kaplanmasında, verimli şekilde uygulanabileceği gösterilmiştir.

Poly (ethylene glycol) (PEG) hydrogels have been extensively used in biomedical engineering, pharmaceutical applications, and biomaterial science due to their tunable structure, desirable mechanical features, high water content, and biocompatibility. In this study, the process of cell or nanoparticle coating through surface initiated photopolymerization is described. First, PEG hydrogel was synthesized on photoinitiator immobilized silicon surfaces, and physical properties such as swelling and thickness have been characterized. Next, surface initiated photopolymerization technique has been applied for the coating of pancreatic islets and magnetic iron oxide nanoparticles (MIONPs) within biomolecule functionalized PEG hydrogel, respectively. Viability and functionality assays demonstrated that islets coated within insulinotropic ligand functionalized PEG hydrogel have enhanced insulin secreting capability compared to control islets. Cell adhesion ligand functionalized PEG hydrogel coated MIONPs have also been investigated to assess their effect on HeLa cell viability and cellular uptake. These results suggest that the presence of cell adhesion domains within PEG hydrogel structure shows no toxicity to HeLa cells as well as improves cellular uptake of MIONPs by HeLa cells. In conclusion, coating of islets within functional PEG hydrogel before implantation may enhance functionality of transplanted islets and reduce the clinical transplantation volume, and coating of nanoparticles within functional PEG hydrogel may improve tumor detection as a result of enhanced MIONPs uptake by tumor cells.