Usage of hyaluronic acid - chitosan coacervates for cartilage tissue engineering

Abstract

Kıkırdak yaralanmaları doku dejenerasyonuna ve ciddi ağrıya neden olabilir. Doğal tamir kapasitesi düşük olan artiküler kıkırdak, bu sebeple doku mühendisleri için öncü bir hedef haline gelmiştir. Kompleks koaservasyon tekniği, karşıt yüklü polielektrolitleri kullanarak hücre enkapsüle etme kapasitesine sahip, üç boyutlu doku iskeleleri üretilmesi için umut vaad etmektedir. Bu iskelelerinin kullanımı, kıkırdak doku mühendisliği çalışmalarında hasar gören dokuların yenilenmesi için önemli bir potansiyele sahiptir. Bu çalışmada, biyobozunur, viskoz doku iskeleleri, kompleks koaservasyon yöntemi ile NaCl veya CaCl2 çözeltileri içerisinde hazırlanan hiyalüronik asit (HA) ve kitosan klorür (KT-K) veya kitosan glutamat tuzu (KT-G) kullanılarak üretilmiştir. Koaservasyon için optimal koşullar, optik mikroskopi, bulanıklık, dinamik ışık saçılması ve zeta potansiyel teknikleri ile tespit edilmiş ve sırasıyla HA/KT-K ve HA/KT-G için 0.31 ve 0.48'lik yük oranı ([-]/[+]) olarak bulunmuştur. Koaservat damlacıkları (~ 700 nm çap) santrifüj edilerek doku iskelesi malzemesi oluşturmak üzere toplanmıştır. Fakat, belirlenen optimal yük oranlarının üzerinde oluşturulan komplekslerin, koaservatlar yerine çökeltilere dönüştüğü gözlemlenmiştir.İskelelerinin biyouyumluluğu mezenkimal kök hücre (MKH) ekilmesiyle gözlemlenirken, kompleksleşme süreci ise MKH enkapsülasyonu ile ayrıca değerlendirilmiştir. Bütün koaservatlar, istikrarlı bozunma profili ile yüksek gözenekli mikro-yapı sağlayarak hücre büyümesi ve çoğalmasını (canlılık % 84) desteklemiştir.Cesaret verici enkapsülasyon sonuçları sayesinde, bu hücreler kondrositlere farklılaşmaları için uyarılmıştır. Kondrojenik uyarılma sonrasında, hem HA/KT-K hem de HA/KT-G koaservatlarında belirgin kartilaginöz matriks sentezine ek olarak kıkırdağa özelleşmiş genlerin ekspresyonu da artmıştır. Bu nedenle, koaservatların kıkırdak doku mühendisliği çalışmalarında gelecek vaad eden doku iskeleleri olarak kullanılabilirlikleri öngörülmüştür.

Cartilage injuries can lead to severe pain and tissue degeneration. Articular cartilage has low natural repair capacity that have turned into a leading objective for tissue engineers. Complex coacervation technique is a promising way of generating 3D scaffolds using oppositely charged polyelectrolytes that have cell entrapment capacity. Those scaffolds have potential for usage in cartilage tissue engineering studies to regenerate the damaged tissues. In this study biodegradable, viscous scaffolds were generated by complex coacervation method using hyaluronic acid (HA) and chitosan chloride (CHI-Cl) or chitosan glutamate salt (CHI-G) prepared in NaCl or CaCl2 solutions. Optimal conditions for coacervation was detected by turbidity, optical microscopy, dynamic light scattering (DLS) and zeta potential techniques and found as the charge ratio of [-]/[+] = 0.31 and 0.48 for HA/CHI-Cl and HA/CHI-G, respectively. Coacervate droplets (~700 nm diameter) were centrifuged and coalesced to form scaffolding material. However, complexes formed above the identified optimal charge ratios ([-]/[+]) observed to transform into precipitates instead of coacervates.Biocompatibility of the scaffolds were observed by MSC seeding and complexation process was further evaluated by MSC encapsulation studies. All coacervates supported cell cultivation and proliferation (viability 84%) by providing highly porous microstructure with consistent degradation profile. MSC encapsulation studies were very encouraging that those cells were induced to differentiate into chondrocytes. After chondrogenic induction, cartilage-specific genes were up-regulated in both HA/CHI-Cl and HA/CHI-G coacervates in addition to remarkable cartilaginous matrix synthesis. Therefore, coacervates can be used as a promising scaffolds for cartilage tissue engineering studies.