Steering the molecular interactions governing mechanical properties in hybrid hydrogels

Abstract

Hybrid double network hydrogels have tremendous potential in cartilage tissue engineering. Their network structure resembles that of the extracellular matrix, and their crosslinking nature often makes them tough materials. Combining a synthetic polymer with a biopolymer has been a popular strategy in hydrogel design. This way, the inherent biocompatibility of the biopolymer and the tunable functionality of the synthetic polymer can be integrated into one material. Poly(acrylamide)/alginate hydrogels are a textbook example of double network hydrogels. The concept behind the enhanced mechanical properties of this specific network structure is well-studied in literature and can be systematically explored by varying the ratio between the two networks. A straightforward preparation procedure and characterization setup can be used in a hands-on undergraduate lab practical for students to gain insight in polymer chemistry and its applicability. The effect of the network ratio and crosslink density on the mechanical properties clearly demonstrates the importance of these factors in the design of double network hydrogels. It provides essential insights that are necessary to understand the mechanics behind the improvements in mechanical properties and can be used as a starting point in the design of more complex materials. First of all, acrylamide (AAm) can be exchanged for other acrylic monomers to introduce different functionalities in the polymer backbone. Poly(acrylate)/alginate double network hydrogels have been described extensively in literature. However, the majority of publications on these hydrogels covalently crosslink the acrylate network. The limited linear elastic behavior of these hydrogels results from the permanent damage caused to the network when the covalent bonds break at higher elongations. The static nature of covalent crosslinks imposes additional challenges for processing techniques like 3D printing and injectability, which require shear thinning properties. As a result, the design of innovative hydrogels for tissue engineering has shifted towards dynamic crosslinking strategies. In poly(acrylate)/alginate hydrogels, the alginate network can be dynamically crosslinked by ionic interactions between the carboxyl groups of guluronic acid and various multivalent cations (Ca2+, Ba2+, Sr2+, Fe3+, and Al3+), and the mechanical properties of the resulting hydrogels vary between different cations as well as different preparation procedures, as demonstrated in chapter 3. However, the resulting poly(acrylate)/alginate hydrogels were unstable in physiological environment as a result of ion leeching. Next, dynamic crosslinking was introduced into the poly(acrylate) network by removing the traditional covalent crosslinker N,N-methylenebisacrylamide, and replacing acrylamide (AAm) with hydrogen-bond forming monomer Nacryloylglycinamide (NAGA). Single network PNAGA hydrogels crosslinked exclusively by hydrogen bonding were found to possess superior mechanical properties compared to covalently crosslinked PAAm hydrogels. However, when PNAGA is combine with alginate to form a double network hydrogel, a drop in mechanical properties with increasing alginate content was observed, running counter to the traditional PAAm/Alginate double network hydrogel system that was demonstrated in chapter 2. This problem was solved by adding a small percentage of acrylic acid into the PNAGA backbone. The resulting P(NAGA-coAAc) copolymer is crosslinked by both hydrogen bonding between the NAGA units as well as ionic crosslinking between the acrylic acid units when a multivalent cation (Ca2+ or Fe3+) is added. More importantly, the small amount of acrylic acid also interacts with the carboxylic acid groups of alginate, linking the two network and leading to efficient energy transfer. This interaction between the P(NAGA-co-AAc) network and the alginate network was proven to be essential to obtain a double network hydrogel with mechanical properties far superior to the properties of the respective single network hydrogels. The resulting double network P(NAGAco-AAc)/ Fe-alginate hydrogels reached mechanical properties in the lower range of those of articular cartilage and their fully dynamic nature offers great possibilities in 3D printing and injectability. The final part of this work gives an overview of the current trends in 3D printing and injectability of double network hydrogels. A summary was made of the many crosslinking strategies that exist to adapt to various on-demand transitions in physical properties required in injection and printing, applied to double network hydrogels. The collective results from the research in this summary show that there is tremendous promise for this field and we are looking eagerly forward to see what the coming years have in store.

Hybride dubbelnetwerk hydrogels hebben enorm potentieel in kraakbeen weefsel engineering. Hun structuur is gelijkaardig aan deze van de extracellulaire matrix en de crosslinks in hun structuur maken ze vaak taaie materialen. Het combineren van synthetische polymeren en biopolymeren was, en is nog tot heden, een populaire strategie in het opwerp van hydrogel materialen. Op deze manier kan de biocompatibiliteit van biopolymeren en de grote variabiliteit van synthetische polymeren ingebouwd worden in één materiaal. Poly(acrylamide)/alginaat hydrogels worden vaak aangehaald als een tekstboek voorbeeld van dubbelnetwerk hydrogels. Het concept achter de verbetering in mechanische eigenschappen specifiek voor deze netwerk samenstelling is in detail beschreven in de literatuur en kan stapsgewijs worden bestudeerd door de verhouding tussen de twee netwerken aan te passen. Voor het aanleren van basistechnieken en inzicht in polymeerchemie kan een eenvoudige procedure voor het maken en karakteriseren van deze materialen toegepast worden in een practicum voor bachelor studenten. Het effect van de verhouding tussen de twee netwerken en de hoeveelheid crosslinks op de mechanische eigenschappen van deze materialen toont duidelijk het belang van deze factoren in het ontwerpen van dubbelnetwerk hydrogels. Het geeft een beeld van de kennis die nodig is om de mechanismen achter de typische verbetering in mechanische eigenschappen te begrijpen en kan gebruikt worden als het startpunt in het ontwerpen van complexe materialen. Eerst en vooral kan acrylamide (AAm) in het acrylaat netwerk vervangen worden door andere acrylaat monomeren, om zo verschillende functionaliteiten in de polymeer structuur te introduceren. Ondanks het feit dat poly(acrylaat)/alginaat dubbelnetwerk hydrogels uitgebreid werden besproken in de literatuur, maakt het grotendeel van deze publicaties gebruik van covalente crosslinking strategieën voor het vormen van het acrylaat netwerk. Als het gevolg van permanente schade in het acrylaat netwerk wanneer deze covalente bindingen breken bij uitrekking van het materiaal, is hun lineaire elasticiteit beperkt. Dit statische karakter van covalente bindingen brengt een aantal uitdagingen met zich mee wanneer we kijken naar technieken zoals 3D printen en injecteerbaarheid, waarvoor shearthinning eigenschappen essentieel zijn. Als gevolg daarvan hebben dynamische crosslinking strategieën aan populariteit gewonnen voor het ontwerp hydrogels voor weefsel engineering. In poly(acrylaat)/alginaat hydrogels kan het alginaat netwerk worden gevormd door dynamische ionische interacties tussen de carboxyl groepen van de guluronzuur en verschillende meerwaardige kationen (Ca2+, Ba2+, Sr2+, Fe3+, en Al3+). Zoals aangetoond in hoofdstuk 3 zullen de mechanische eigenschappen van de overeenkomstige hydrogels variëren afhankelijk van het kation en de methode die gebruikt werd om de gels klaar te maken. Verder werd aangetoont dat deze hydrogels beperkte stabiliteit vertonen in een physiologisch omgeving als gevolg van uitwisseling van de kationen. Verder werden dynamische interacties ingebouwd in het poly(acrylaat) netwerk door de traditionele covalente crosslinker N,N-methyleenbisacrylamide (MBAA) te verwijderen, en acrylamide (AAm) te vervangen door N-acryloylglycinamide (NAGA), een monomeer in staat om waterstof bruggen te vormen. Enkelvoudige PNAGA netwerk hydrogels gevormd door enkel waterstofbruggen hebben betere mechanische eigenschappen in vergelijking met covalent gelinkte PAAm hydrogels. Het combineren van PNAGA met alginaat om een dubbel netwerk hydrogel te vormen leidt echter tot een verlaging van de mechanische eigenschappen bij verhoging van de alginaat concentratie. Dit is tegenstrijdig met het principe van dubbelnetwerk hydrogels dat gedemonstreerd werd met behulp van poly(acrylamide)/alginaat dubbelnetwerk in hoofdstuk 2. Deze tegenslag werd opgelost door het inbouwen van een kleine percentage acrylzuur in de PNAGA polymeerketens. Dit P(NAGA-co-AAc) copolymeer kan crosslinks vormen via zowel waterstofbruggen tussen de NAGA eenheden als ionische interacties tussen de acrylzuur eenheden wanneer meerwaardige kationen worden toegevoegd (Ca2+ or Fe3+). Het grootste voordeel van het toevoegen van een kleine hoeveelheid acrylzuur is de interactie die gevormd kan worden tussen de carboxylgroepen van acrylzuur en alginaat waardoor een brug gevormd wordt tussen de twee netwerken die efficiënte overdracht van energy mogelijk maakt. Deze interactie tussen de twee netwerken was essentieel voor het verbeteren van de mechanische eigenschappen van de dubbelnetwerk hydrogels in vergelijking met de respectievelijke enkelvoudige netwerk hydrogels. Dubbelnetwerk P(NAGAco-AAc)/Fe-Alginaat hydrogels bereiken mechanische eigenschappen vergelijkbaar met die van kraakbeen en hun dynamisch karakter biedt veel mogelijkheden voor 3D printen en injectibiliteit. Het laatste deel van deze thesis geeft een overzicht van de trends in het 3D printen en injecteren van dubbelnetwerk hydrogels. Het omvat een samenvatting van verschillende crosslinking strategiën die beschikbaar zijn om de verschillende vereiste in mechanische eigenschappen te beantwoorden, specifiek voor dubbelnetwerk hydrogels. De resultaten uit het onderzoek dat in deze review wordt besproken toont aan dat de toekomst van dubbelnetwerk hydrogels in weefsel engineering veelbelovend is en we kijken alvast uit naar wat de toekomst in petto heeft.