Multiphasic construct studied in an ectopic osteochondral defect model

In vivo osteochondral defect models predominantly consist of small animals, such as rabbits. Although they have an advantage of low cost and manageability, their joints are smaller and more easily healed compared with larger animals or humans. We hypothesized that osteochondral cores from large animals can be implanted subcutaneously in rats to create an ectopic osteochondral defect model for routine and high-throughput screening of multiphasic scaffold designs and/or tissue-engineered constructs (TECs). Bovine osteochondral plugs with 4 mm diameter osteochondral defect were fitted with novel multiphasic osteochondral grafts composed of chondrocyte-seeded alginate gels and osteoblast-seeded polycaprolactone scaffolds, prior to being implanted in rats subcutaneously with bone morphogenic protein-7. After 12 weeks of in vivo implantation, histological and micro-computed tomography analyses demonstrated that TECs are susceptible to mineralization. Additionally, there was limited bone formation in the scaffold. These results suggest that the current model requires optimization to facilitate robust bone regeneration and vascular infiltration into the defect site. Taken together, this study provides a proof-of-concept for a high-throughput osteochondral defect model. With further optimization, the presented hybrid in vivo model may address the growing need for a cost-effective way to screen osteochondral repair strategies before moving to large animal preclinical trials.

Chondrocyte redifferentiation and construct mechanical property development in single-component photocrosslinkable hydrogels

Hydrogels are promising materials for cartilage repair, but the properties required for optimal functional outcomes are not yet known. In this study, we functionalized four materials that are commonly used in cartilage tissue engineering and evaluated them using in vitro cultures. Gelatin, hyaluronic acid, polyethylene glycol, and alginate were functionalized with methacrylic anhydride to make them photocrosslinkable. We found that the responses of encapsulated human chondrocytes were highly dependent on hydrogel type. Gelatin hydrogels supported cell proliferation and the deposition of a glycosaminoglycan rich matrix with significant mechanical functionality. However, cells had a dedifferentiated phenotype, with high expression of collagen type I. Chondrocytes showed the best redifferentiation in hyaluronic acid hydrogels, but the newly formed matrix was highly localized to the pericellular regions, and these gels degraded rapidly. Polyethylene glycol hydrogels, as a bioinert control, did not promote any strong responses. Alginate hydrogels did not support the deposition of new matrix, and the stiffness decreased during culture. The markedly different response of chondrocytes to these four photocrosslinkable hydrogels demonstrates the importance of material properties for chondrogenesis and extracellular matrix production, which are critical for effective cartilage repair.

Multifunctional SA-PProDOT binder for lithium ion batteries

An environmentally benign, highly conductive, and mechanically strong binder system can overcome the dilemma of low conductivity and insufficient mechanical stability of the electrodes to achieve high performance lithium ion batteries (LIBs) at a low cost and in a sustainable way. In this work, the naturally occurring binder sodium alginate (SA) is functionalized with 3,4-propylenedioxythiophene-2,5-dicarboxylic acid (ProDOT) via a one-step esterification reaction in a cyclohexane/dodecyl benzenesulfonic acid (DBSA)/water microemulsion system, resulting in a multifunctional polymer binder, that is, SA-PProDOT. With the synergetic effects of the functional groups (e.g., carboxyl, hydroxyl, and ester groups), the resultant SA-PProDOT polymer not only maintains the outstanding binding capabilities of sodium alginate but also enhances the mechanical integrity and lithium ion diffusion coefficient in the LiFePO4 (LFP) electrode during the operation of the batteries. Because of the conjugated network of the PProDOT and the lithium doping under the battery environment, the SA-PProDOT becomes conductive and matches the conductivity needed for LiFePO4 LIBs. Without the need of conductive additives such as carbon black, the resultant batteries have achieved the theoretical specific capacity of LiFePO4 cathode (ca. 170 mAh/g) at C/10 and ca. 120 mAh/g at 1C for more than 400 cycles.

The importance of connexin hemichannels during chondroprogenitor cell differentiation in hydrogel versus microtissue culture models

Appropriate selection of scaffold architecture is a key challenge in cartilage tissue engineering. Gap junction-mediated intercellular contacts play important roles in precartilage condensation of mesenchymal cells. However, scaffold architecture could potentially restrict cell-cell communication and differentiation. This is particularly important when choosing the appropriate culture platform as well as scaffold-based strategy for clinical translation, that is, hydrogel or microtissues, for investigating differentiation of chondroprogenitor cells in cartilage tissue engineering. We, therefore, studied the influence of gap junction-mediated cell-cell communication on chondrogenesis of bone marrow-derived mesenchymal stromal cells (BM-MSCs) and articular chondrocytes. Expanded human chondrocytes and BM-MSCs were either (re-) differentiated in micromass cell pellets or encapsulated as isolated cells in alginate hydrogels. Samples were treated with and without the gap junction inhibitor 18-α glycyrrhetinic acid (18αGCA). DNA and glycosaminoglycan (GAG) content and gene expression levels (collagen I/II/X, aggrecan, and connexin 43) were quantified at various time points. Protein localization was determined using immunofluorescence, and adenosine-5'-triphosphate (ATP) was measured in conditioned media. While GAG/DNA was higher in alginate compared with pellets for chondrocytes, there were no differences in chondrogenic gene expression between culture models. Gap junction blocking reduced collagen II and extracellular ATP in all chondrocyte cultures and in BM-MSC hydrogels. However, differentiation capacity was not abolished completely by 18αGCA. Connexin 43 levels were high throughout chondrocyte cultures and peaked only later during BM-MSC differentiation, consistent with the delayed response of BM-MSCs to 18αGCA. Alginate hydrogels and microtissues are equally suited culture platforms for the chondrogenic (re-)differentiation of expanded human articular chondrocytes and BM-MSCs. Therefore, reducing direct cell-cell contacts does not affect in vitro chondrogenesis. However, blocking gap junctions compromises cell differentiation, pointing to a prominent role for hemichannel function in this process. Therefore, scaffold design strategies that promote an increasing distance between single chondroprogenitor cells do not restrict their differentiation potential in tissue-engineered constructs.

Preservation of encapsulated shoot tips and nodes of the tropical hardwoods Corymbia torelliana × C. citriodora and Khaya senegalensis

Alginate encapsulation is a simple and cost-effective technique to preserve plant germplasm but there are only a few reports available on preservation of encapsulated explants of two highly valuable groups of tropical trees, the eucalypts (Myrtaceae) and mahoganies (Meliaceae). This study investigated alginate encapsulation for preservation of the eucalypt hybrid, Corymbia torelliana × C. citriodora, and the African mahogany, Khaya senegalensis. We assessed shoot regrowth of encapsulated shoot tips and nodes after storage for 0, 3, 6 and 12 months on media varying in sucrose and nutrient content, under storage conditions of 14°C and zero-irradiance. Encapsulated explants of both trees were preserved most effectively on high-nutrient (half-strength Murashige and Skoog) medium containing 1% sucrose, which provided very high frequencies of shoot regrowth (92–100% for Corymbia and 71–98% for Khaya) and excellent shoot development after 12 months’ storage. This technique provides an extremely efficient means for storage and exchange of eucalypts and mahoganies, ideally suited for incorporation into plant breeding and germplasm conservation programs.

EFFECT OF CORE-SHELL STRUCTURE OF HYDROGEL BEADS ON THE THRESHOLD CONCENTRATION OF WATER FOR SWELLING AND ITS PH SENSITIVITY

In this paper we investigate the effect of core-shell structure of Sodium Alginate based hydrogel beads and their size on certain activation threshold concentration of water for applications in swelling and pH sensing. This type of hydrogel experiences diffusive pressure due to transport of certain free charges across its interface with a solvent or electrolyte. This process is essentially a dynamic equilibrium of the electric force field, stress in the polymeric network with cage like structure and molecular diffusion including phase transformation due to pressure imbalance between the hydrogel and its surroundings. The effect of pH of the solvant on the swelling rate of these beads has been studied experimentally. A mathematical model of the swelling process has been developed by considering Nernst-Planck equation representing the migration of mobile ions and Er ions, Poisson equation representing the equilibrium of the electric field and mechanical field equation representing swelling of the gel. An attempt has been made to predict the experimentally observed phenomena using these numerical simulations. It is observed experimentally that certain minimum concentration called activation threshold concentration of the water molecules must be present in the hydrogel in order to activate the swelling process. For the required activation threshold concentration of water in the beads, the pH induced change in the rate of swelling is also investigated. This effect is analyzed for various different core-shell structures of the beads.

pH Induced switching in hydrogel coated fiber bragg grating sensor

In this paper we report a novel hydrogel functionalized optical Fiber Bragg Grating (FBG) sensor based on chemo-mechanical-optical sensing, and demonstrate its specific application in pH activated process monitoring. The sensing mechanism is based on the stress due to ion diffusion and polymer phase transition which produce strain in the FBG. This results in shift in the Bragg wavelength which is detected by an interrogator system. A simple dip coating method to coat a thin layer of hydrogel on the FBG has been established. The gel consists of sodium alginate and calcium chloride. Gel formation is observed in real-time by continuously monitoring the Bragg wavelength shift. We have demonstrated pH sensing in the range of pH of 2 to 10. Another interesting phenomenon is observed by swelling and deswelling of FBG functionalized with hydrogel by a sequence of alternate dipping between acidic and base solutions. It is observed that the Bragg wavelength undergoes reversible and repeatable pH dependent switching.

Photonic Hydrogel Beads for Controlled Release of Risedronate

pH-sensitive photonic composite hydrogel beads composed of sodium alginate and risedronate sodium (SA/RIS) was prepared crosslinked by Ca2+ owing to the ionic gelation of SA. The structure and surface morphology of the composite hydrogel beads were characterized by SEM. pH-sensitivity of these composite hydrogels beads and the release behaviors of drug from them were investigated. The results showed that the composite hydrogel beads had good pH-sensitivity. The drug loading and encapsulation efficiency were 27.7% and 92% for RIS, respectively. The cumulative release ratios of RIS from the composite hydrogel beads were 2.47% in pH 2.1 solution and 83 % in pH 6.8 solutions within 24 h, respectively. However, the cumulative release ratio of RIS in pH 7.4 solution reached 91% within 7 h. It is proposed that the novel photonic SA/RIS composite hydrogel bead could possess the potential of an increased intestinal absorption and fewer adverse effects of RIS. The pH and salt response of photonic hydrogel bead, as well as the encapsulation of macromolecules, are promising for applications in biomedicine and biotechnology.

Combined Effect of Cryogel Matrix and Temperature-Reversible Soluble-Insoluble Polymer for the Development of in Vitro Human Liver Tissue

Hepatic cell culture on a three-dimensional (3D) matrix or as a hepatosphere appears to be a promising in vitro biomimetic system for liver tissue engineering applications. In this study, we have combined the concept of a 3D scaffold and a spheroid culture to develop an in vitro model to engineer liver tissue for drug screening. We have evaluated the potential of poly(ethylene glycol)-alginate-gelatin (PAG) cryogel matrix for in vitro culture of human liver cell lines. The synthesized cryogel matrix has a flow rate of 7 mL/min and water uptake capacity of 94% that enables easy nutrient transportation in the in vitro cell culture. Youngs modulus of 2.4 kPa and viscoelastic property determine the soft and elastic nature of synthesized cryogel. Biocompatibility of PAG cryogel was evaluated through MTT assay of HepG2 and Huh-7 cells on matrices. The proliferation and functionality of the liver cells were enhanced by culturing hepatic cells as spheroids (hepatospheres) on the PAG cryogel using temperature-reversible soluble-insoluble polymer, poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAAm). Pore size of the cryogel above 100 mu m modulated spheroid size that can prevent hypoxia condition within the spheroid culture. Both the hepatic cells have shown a significant difference (P < 0.05) in terms of cell number and functionality when cultured with PNIPAAm. After 10 days of culture using 0.05% PNIPAAm, the cell number increased by 11- and 7-fold in case of HepG2 and Huh-7 cells, respectively. Similarly, after 10 days of hepatic spheroids culture on PAG cryogel, the albumin production, urea secretion, and CYP450 activity were significantly higher in case of culture with PNIPAAm. The developed tissue mass on the PAG cryogel in the presence of PNIPAAm possess polarity, which was confirmed using F-actin staining and by presence of intercellular bile canalicular lumen. The developed cryogel matrix supports liver cells proliferation and functionality and therefore can be used for in vitro and in vivo drug testing.

Ensaios dinâmicos de biossorção de cobre com macroalgas em leitos-fixos contendo materiais adsorventes de natureza não-biológica

A biossorção é o termo aplicado à tecnologia de adsorção de íons metálicos em solução, por meio de materiais de natureza biológica inativa, comparável à adsorção utilizando-se adsorventes convencionais. A biossorção depende da temperatura, pH, concentração inicial do íon metálico, e tipo de biosorvente. O objetivo principal dessa dissertação é estudar e comparar os processos de adsorção de cobre iônico a partir de soluções aquosas utilizando Sargassum sp., alginato de cálcio úmido e desidratado e carvão ativo em pó e granular, em regime de batelada e contínuo. O alginato de cálcio foi preparado através de uma solução 4% (m/v) de alginato de sódio gotejada em solução 37% (m/v) de cloreto de cálcio dihidratado. O alginato de cálcio apresentou uma umidade de 89% após secagem em estufa a 100C por 24 horas. Os parâmetros da biossorção foram fixados em: a dose de adsorventes de 2 g/L; a temperatura em 30C; pH da solução em 5,0; e velocidade de rotação da chapa rotatória em 150 rpm. Para os estudos de cinética e equilíbrio, os ensaios foram feitos em regime de batelada. Nos ensaios cinéticos para duas concentrações medias (0,16 e 3,15 mmol/L) variou-se o tempo de contato (1 a 120 min) para se atingir o equilíbrio. Nos ensaios de equilíbrio variou-se as concentrações (0,16 a 15,72 mmol/L) utilizando o tempo de equilíbrio determinado nos ensaios cinéticos. Foram utilizadas duas modelagens cinéticas (a de pseudo-primeira ordem e a de segunda ordem) e duas modelagens do equilíbrio (Langmuir e Freundlich). O modelo cinético de segunda ordem ajustou melhor os resultados. O tempo de equilíbrio para adsorção do cobre foi de 60 minutos para Sargassum sp. e pellets de alginatos de cálcio úmido e desidratado. Para os carvões ativos os tempos de equilíbrio para a adsorção do cobre foram mais rápidos, mas a capacidade de remoção do cobre foram muito baixas. Com base nos resultados desfavoráveis obtidos para os carvões ativos eles foram descartados para se prosseguir com os ensaios de equilíbrio. A isoterma de Freundlich melhor ajusta os dados experimentais para Sargassum sp. e alginato de cálcio úmido. A capacidade de adsorção máxima calculada pelo modelo de Freundlich: na concentração de equilíbrio de 11,66 0,06 mmol/L foi de 1,97 0,07 mmol/g para Sargassum sp.; e na concentração de equilíbrio de 12,12 0,03 mmol/L foi de 1,69 0,04 mmol/g para alginato de cálcio úmido. O processo de biossorção em regime contínuo, com alturas de leito variável de 10 a 40 cm, teve melhor desempenho com a altura de 40 cm. Em regime de batelada, o desempenho da Sargassum sp. foi superior ao dos alginatos de cálcio (úmido melhor que o desidratado), que por sua vez foram superiores ao desempenho dos carvões ativos em pó e granular (em pó melhor que o granular). O sistema contínuo com concentração inicial de cobre de 8,5 mmol/L deve ser operado com altura de leito igual ou superior a 40 cm, ou com sistemas multicolunas para soluções mais concentradas

Preparação e avaliação de hidrogéis nanocompósitos à base de alginato na remoção de Cu (II) e Zn (II) de soluções aquosas

Esta dissertação teve como objetivo, a preparação de hidrogéis à base de alginato contendo argila e material magnético em sua estrutura. Foram analisadas as modificações nas características físico-químicas dos hidrogéis preparados com diferentes reticulantes (CaCl2 e FeCl3) e diferentes concentrações de material magnético (1 e 3 % m/m) e argila (1, 5 e 10 %). Após isso, os hidrogéis foram avaliados quanto à capacidade de remoção de íons Cu2+ e Zn2+ de soluções aquosas. As amostras foram caracterizadas quanto à composição química por espectroscopia na região do infravermelho (FTIR), quanto à morfologia por microscopia óptica e microscopia eletrônica de varredura (SEM) e quanto às propriedades magnéticas por magnetometria de amostra vibrante (VSM). Através da técnica de difratometria de raios-X (XRD), foi possível verificar a natureza do material magnético e a dispersão da argila nos hidrogéis. A estabilidade térmica das amostras foi analisada por análise termogravimétrica (TGA). Os resultados mostraram que tanto a argila como o material magnético ficaram bem dispersos nas amostras. De forma geral, foram preparados hidrogéis com morfologia esférica, sendo que os hidrogéis de alginato de cálcio tenderam a apresentar maior resistência térmica do que os hidrogéis de alginato de ferro. Todas as amostras magnéticas apresentaram comportamento superparamagnético, porém as amostras de alginato de ferro mostraram-se quebradiças após o intumescimento em água. O tempo médio de equilíbrio de intumescimento foi de 240 minutos. Os resultados de cinética de adsorção mostraram que os hidrogéis de alginato de cálcio preparados nas condições avaliadas nesta Dissertação foram eficientes na remoção dos íons Cu2+ e Zn2+, sendo que o cobre apresentou maior afinidade pelo hidrogel do que o zinco

Interações do cobre iônico com microalgas verdes

No presente trabalho foram utilizados micro-organismos fotoautotróficos para a bioacumulação de cobre em regime de batelada. Para tal, utilizou-se micro-organismos dos gêneros Ankistrodesmus, Golenkinia, Monoraphidium e Scenedesmus, em função da sua disponibilidade, facilidade de cultivo e diferenças morfológicas. Ensaios preliminares foram realizados utilizando diferentes concentrações de biossorvente, com o intuito de verificar a influência deste fator na eficiência do processo de captação. Os testes realizados em batelada incluíram também o estudo cinético e do equilíbrio, nos quais foi possível verificar que para todos os gêneros testados, o processo de captação do metal em soluções diluídas atingiu o equilíbrio quase instantaneamente. Em soluções de Cu2+ mais concentradas, observou-se diferenças entre os gêneros estudados, no tempo necessário para estabelecimento do equilíbrio. Além disso, observou-se uma alta eficiência no processo de captação de íons Cu2+ em solução por parte dos micro-organismos, com elevada captação de metal por grama de biomassa. As diferenças morfológicas entre os gêneros pareceram não influenciar significativamente a cinética e o equilíbrio do processo. Os ensaios em batelada foram realizados também empregando-se células de Golenkinia imobilizadas em alginato de cálcio, além de testes com o próprio alginato isento de micro-organismos como experimento-controle afim de verificar a influencia da imobilização nos parâmetros cinéticos e na capacidade de captação. A partir dos resultados obtidos nos ensaios em batelada com todos os biossorventes, testou-se em cada caso a aplicação de modelos cinéticos (pseudo 1 e 2 ordem) e modelos de equilíbrio (isoterma de Langmuir e Freundlich). Verificou-se que para o 4 gêneros que empregando-se células livres o modelo cujo os resultados se adequaram melhor foi o de Langmuir, enquanto que para células imobilizadas ambos modelos se mostraram adequados

Interações do lantânio com células livres e imobilizadas em alginato em regimes de batelada e contínuo

Este trabalho teve como objetivo descrever o potencial de biossorção de lantânio pelas microalgas Ankistrodesmus sp. e Golenkinia sp. livres e pellets de alginato de cálcio, com e sem as microalgas imobilizadas, a partir de soluções aquosas. Para isso foram realizados estudos em regime batelada e em coluna de leito fixo. Modelos cinéticos de pseudo-primeira ordem e de segunda ordem e isotermas de equilíbrio de Langmuir e de Freundlich foram utilizados para a descrição quantitativa e a previsão do comportamento de adsorção do metal pelas biomassas livres e imobilizadas no sistema descontínuo. Os dados foram mais bem ajustados pelo modelo cinético de segunda ordem, com coeficientes de determinação (r2) maiores que 0,98. Foram obtidos tempos de equilibrio muito curtos, na faixa de 1-30 minutos. A isoterma de Langmuir foi a que melhor se ajustou aos dados experimentais, com valores de r2 maiores que 0,94. Foram observados valores de qmáx, isto é, a quantidade máxima de metal captado pelo biossorvente, entre 0,96 e 10,43 mmol/g. As células livres mostraram-se mais eficientes do que os pellets caracterizados com e sem os micro-organismos. Os pellets mostraram melhor potencial quando contendo microalgas imobilizadas, em comparação com eles puros. No estudo dinâmico, 12 L de solução contendo uma concentração de La (III) de 150 mmol/L ascenderam pela coluna contendo Ankistrodesmus sp. e Golenkinia sp. imobilizadas e pellets de alginato de cálcio puros durante 8 horas. No último minuto, os três biossorventes ainda apresentaram cerca de 80% de eficiência de remoção. Desta forma, o ponto de satuação não foi atingido. A rápida e alta capacidade de adsorção das microalgas revelou que sua aplicação em escala superior é possível em ambos os processos estudados, uma vez que a imobilização desses biomateriais não mudou a sua capacidade de sorção e nem o rápido contato entre o adsorvente e o soluto no processo de biossorção de lantânio

Síntese e avaliação de hidrogéis à base de alginato e nanopartículas magnéticas preparadas in situ para remoção de Mn(II) e Ni(II) de efluente industrial

Esta Dissertação teve como objetivo,a síntese de hidrogéis à base de alginato e nanopartículas magnéticas (maghemita) preparadas in situ. Os hidrogéis foram preparados em diferentes concentrações de alginato de sódio (2 e 3% m/v), FeSO4 (0,3 e 0,5 mol L-1) e CaCl2 (0,1 e 0,3 mol L-1). As propriedades físico-químicas dos hidrogéis foram analisadas e, posteriormente, foram avaliados quanto à capacidade de remoção de íons Ni2+ e Mn2+ de soluções aquosas. Para caracterização das amostras foram utilizadas diversas técnicas de análises, tais como, análise granulométrica, microscopia óptica (OM), microscopia eletrônica de varredura (SEM), microscopia eletrônica de transmissão (TEM), magnetometria de amostra vibrante (VSM), espectroscopia na região do infravermelho por transformada de Fourier (FTIR), difratometria de raios-X (XRD), espectroscopia Mössbauer, e análise termogravimétrica (TGA). Foram preparados hidrogéis com morfologia predominantemente esférica e dimensões micrométricas (500 a 850 m), com átomos de Fe e Ca dispersos uniformemente em sua estrutura. Os hidrogéis apresentaram boa resistência térmica e comportamento superparamagnético. As amostras foram intumescidas em água deionizada durante um intervalo de tempo a fim de avaliar o grau de intumescimento (Q) para determinar a amostra com a melhor resposta para posterior aplicação em solução aquosa contendo íons metálicos (Ni2+ e Mn2+). Os resultados revelaram que a amostra cuja concentração de 3% m/v de alginato de sódio, 0,3 mol L-1 de FeSO4 e 0,3 mol L-1 de CaCl2 obteve maior Q (50%). Em consequência deste resultado, optou-se por utilizar estaamostra, na remoção de metais pesados presentes em soluções aquosas e em efluentes industriais. Vários parâmetros,tais como: tempo de contato,pH, concentração inicial do íon e massa de hidrogel foram estudados.Os resultados, para efluente sintético, revelaram que o tempo de equilíbrio foi de 60 minutos; a capacidade de remoção dos metais melhora com o aumento de pH (3 a 9), sendo máxima em pH 7;quanto menor a concentração inicial da solução iônica (50 a 500 mg L-1), maior a capacidade de remoção, 52% de Ni2+ e 49% de Mn2+ (concentração inicial de 50 mg L-1). No efluente industrial, a remoção foi de 61% de Ni2+ e 57% de Mn2+(300 mg de hidrogel). Os resultados encontrados revelaram que os hidrogéis magnéticos produzidos à base de alginato têm potencial uso no tratamento de efluentes industriais contaminados com metais pesados

Studies on the use of alginates in frozen fishery products

Results of preliminary studies on the use of sodium alginate as a protective coating for fishery products showed that several varieties of fishes and shell fish had better keeping qualities when coated with sodium alginate.