title: 3D Printing of Alginate-Dialdehyde-Gelatine (ADA-GEL) Composites Incorporating Therapeutic Agents and Bioactive Glass for Sustained Drug Delivery in Regenerative Medicine
title: 3D-Druck von Alginate-dialdehyde-Gelatine (ADA-GEL) Kompositen mit therapeutischen Wirkstoffen und bioaktivem Glas für die nachhaltige Verabreichung von Medikamenten in der Regenerativen Medizin
Creators: name: Monavari, Mahshid
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2025
Subjects: subject: Bioactive Bioglass, Hydrogel, ADA, Gelatine, 3D printing, Hydrogel, Drug Delivery, Bone tissue engineering, Wound healing, Regenerative Medicine.

description: To meet complex and increasing healthcare needs, advanced 3D bioprinting techniques are being developed for creating artificial tissues from suitable biomaterials, particularly exploiting tissue engineering (TE) and regenerative medicine approaches. Different 3D printing methods, such as extrusion printing, stereolithography, fused deposition modeling, direct ink writing, melt electrowriting, and inkjet-based printing, have been employed to fabricate scaffolds for TE using diverse synthetic and bio-based polymers, including hydrogels. Hydrogel scaffolds hold great promise in TE due to their resemblance to the natural extracellular matrix (ECM), biocompatibility, and adjustable physicochemical properties. TE hydrogel-based scaffolds are crucial in promoting cell growth, migration, and organization during wound healing and tissue repair processes. In this doctoral thesis, the focus was on developing and using alginate-based hydrogels for regenerative medicine purposes. The main objective was the fabrication of porous 3D scaffolds utilizing alginate dialdehyde (ADA) and gelatin (GEL), forming ADA-GEL hydrogels, which could also function as carriers for drug delivery. To achieve this objective, scaffolds were created by the pneumatic extrusion printing method, enabling the co-delivery of various drugs, including phytotherapeutics (astaxanthin and icariin), therapeutic proteins (lysozyme), and antibiotics (gentamycin) alongside bioactive inorganic nanoparticles. In the first part of the project, alginate dialdehyde-gelatin (ADA-GEL) hydrogel reinforced with mesoporous silica-calcia nanoparticles (MSNs) and loaded with icariin (ADA-GEL/Ica-MSN) was used to create superhydrated 3D composite scaffolds with target application in bone tissue engineering (BTE). The MSNs were shown to enhance mechanical stiffness, induce apatite layer formation in simulated body fluid (SBF), and, in parallel, release an effective dose of icariin. Biocompatibility tests confirmed the increase of preosteoblastic cell line MC3T3-E1 proliferation, adhesion, and differentiation, highlighting the potential of the new scaffold for bone tissue engineering. The research continued with studying the capability of 3D-printed ADA-GEL scaffolds to co-deliver bone-healing and antibacterial agents. Hence, a second ADA-GEL-based hydrogel was designed with lysozyme-loaded mesoporous cerium-doped silica-calcia nanoparticles (ADA-GEL/Lys-Ce-MSNs). This formulation exhibited increased mechanical stiffness and surface apatite mineralization. The scaffold effectively held and delivered lysozyme, improving pre-osteoblast cell (MC3T3-E1) behavior and antibacterial efficiency while demonstrating anticancer properties by lowering MG63 osteosarcoma cell proliferation. The ADA-GEL/Lys-Ce-MSN nanocomposite holds promise as a novel multifunctional hydrogel-based bone tissue engineering scaffold. The study continued to show the multi-functionality of 3D-printed ADA-GEL scaffolds for applications as wound dressing when ADA-GEL is incorporated with astaxanthin (ASX) and borate bioactive glass (BBG) microparticles. ASX and BBG microparticles were shown to enhance hydrogel stiffness, delay degradation, and effectively sustain the delivery of ASX. The composite hydrogel co-delivered biologically active ions and ASX, potentially promoting a faster wound-healing process. In vitro tests confirmed enhanced mouse embryonic fibroblast (NIH3T3) cell adhesion, proliferation, and vascular endothelial growth factor (VEGF) expression, promoting wound closure by stimulating HaCaT cell migration. The results highlighted the potential of the ADA-GEL/BBG/ASX composite for multipurpose wound-healing scaffolds obtained by 3D printing. In these three studies, 3D printing extrusion technology was successfully utilized to fabricate ADA-GEL-based scaffolds featuring hierarchically organized structures with macro- and micro-porosity representing advanced biomaterials for TE and regenerative medicine. The first two papers, part of this dissertation, focus on 3D-printed hydrogel nanocomposites for bone tissue engineering, demonstrating an enhanced convenient approach to achieving control over microstructure and for efficient drug delivery. These multifunctional materials exhibit improved mechanical stiffness, antibacterial properties, and the ability to co-deliver therapeutic agents and biologically active ions with potential applications in bone tissue engineering. Finally, the third paper in this dissertation presents a 3D-printed hydrogel scaffold for wound dressing that is capable of dual (simultaneous) drug delivery and therapeutic ion release. This study demonstrates that 3D printed high porous ADA-GEL scaffold embedded with ASX and BBG enhanced wound healing by improving cell behavior, increasing the expression of growth factors resulting in wound closure. Together, these three studies revealed the versatility and promise of 3D printing and the ADA-GEL hydrogel system to advance bioactive biomaterials for diverse biomedical purposes, ranging from bone tissue engineering to wound healing.
description: Um den komplexen und steigenden Bedürfnissen im Gesundheitswesen gerecht zu werden, ist der Einsatz effektiver 3D-Biodruckverfahren zur Herstellung fortschrittlicher künstlicher Gewebe oder Biomaterialien für biomedizinische Anwendungen, insbesondere für das Tissue Engineering (TE), unerlässlich. Verschiedene 3D-Druckverfahren wie Extrusionsdruck, Stereolithographie, Fused Deposition Modeling, Direct Ink Writing, Melt Electrowriting und Inkjet-basiertes Drucken wurden zur Herstellung von Gerüsten für TE unter Verwendung verschiedener synthetischer und biobasierter Polymere einschließlich Hydrogele eingesetzt. Hydrogelgerüste sind aufgrund ihrer Ähnlichkeit mit der natürlichen extrazellulären Matrix (ECM) ihrer Biokompatibilität und ihrer anpassbaren physikalisch-chemischen Eigenschaften sehr vielversprechend für die TE. Gerüste auf der Basis von TE-Hydrogelen spielen eine entscheidende Rolle bei der Förderung des Zellwachstums, der Migration und der Organisation während der Wundheilungs- und Gewebereparaturprozesse. In der vorliegenden Doktorarbeit lag der Schwerpunkt auf der Entwicklung und Verwendung von Hydrogelen auf Alginatbasis für die regenerative Medizin. Das Hauptziel der Studie bestand darin, Alginatdialdehyd (ADA) und Gelatine (GEL) zu verwenden und ADA-GEL-Hydrogele für die Herstellung von 3D-Gerüsten zu bilden, die auch als Träger für die Verabreichung von Medikamenten dienen können. Zu diesem Zweck wurden 3D-Strukturen mittels Extrusionsdruck geschaffen, die als Co-Delivery-Träger verschiedener Arzneimittel, darunter Phytotherapeutika (Astaxanthin und Ikariin), therapeutische Proteine (Lysozym) und Antibiotika (Gentamycin) sowie zum Transport von bioaktiven anorganischen Nanopartikeln, dienen kann. Im ersten Teil des Projektes, das Alginat-Dialdehyd-Gelatine-Hydrogel (ADA-GEL), das mit mesoporösen Siliziumdioxid-Calciumdioxid-Nanopartikeln (MSN) verstärkt und beladen mit Ikariin (ADA-GEL/Ica-MSN) war, wurde zur Herstellung der superhydratisierten 3D-Verbundgerüste im Bereich der, verwendet. Es wurde gezeigt, dass die MSN die mechanische Steifigkeit erhöhen, die Bildung einer Apatitschicht in simulierter Körperflüssigkeit (SBF) induzieren und gleichzeitig eine wirksame Dosis von Ikariin freisetzen. Zudem bestätigten die Biokompatibilitätstests die Zunahme der Proliferation, Adhäsion und Differenzierung der prä-osteoblastischen Zelllinie MC3T3-E1, welche das Potenzial des neuen Gerüstes für die Entwicklung von Knochengewebe unterstreichen. Die Forschung wurde mit der Studie der Fähigkeit der 3D-gedruckten ADA-GEL-Gerüste fortgesetzt, ob diese knochenheilenden und antibakteriellen Wirkstoffe abzugeben. Daher wurde ein zweites Hydrogel auf ADA-GEL-Basis mit Lysozym-beladenen mesoporösen Cer-aufgepulverten Siliziumkalk-Nanopartikeln (ADA-GEL/Lys-Ce-MSNs) entwickelt. Diese Formulierung wies eine erhöhte mechanische Steifigkeit und Apatitmineralisierung an der Oberfläche auf. Das Gerüst enthielt und lieferte effektiv Lysozym, verbesserte das Verhalten von prä-Osteoblasten Zellen (MC3T3-E1) und die antibakterielle Wirksamkeit und zeigte gleichzeitig krebshemmende Eigenschaften, indem es die Proliferation von MG63-Osteosarkomzellen verringerte. Dieses ADA-GEL/Lys-Ce-MSN-Nanokomposit ist ein vielversprechendes, neuartiges, multifunktionelles Gerüst für die Herstellung von Knochengewebe auf Hydrogelbasis. Unsere Studie zeigte weiterhin die Multifunktionalität von 3D-gedruckten ADA-GEL-Gerüsten für Anwendungen als Wundverband, wenn ADA-GEL mit Astaxanthin (ASX) und bioaktiven Boratglas (BBG)-Mikropartikeln kombiniert wird. Es hat sich gezeigt, dass ASX- und BBG-Mikropartikel die Steifigkeit des Hydrogels erhöhen, die Degradation verzögern und die Abgabe von ASX wirksam unterstützen. Das Komposit-Hydrogel lieferte biologisch aktive Ionen und ASX und förderte so einen schnelleren Wundheilungsprozess. In-vitro-Tests bestätigen eine verbesserte Adhäsion, Proliferation und Expression des vaskulären endothelialen Wachstumsfaktors (VGEF) der embryonalen Mausfibroblasten NIH3T3, was den Wundverschluss durch Stimulierung der HaCaT-Zellmigration fördert und das Potenzial des ADA-GEL/BBG/ASX-Komposits für Mehrzweck-Wundheilungsgerüste durch 3D-Druck unterstreicht. In diesen drei Studien wurde die 3D-Drucktechnologie erfolgreich zur Herstellung von Gerüsten auf ADA-GEL-Basis eingesetzt, die hierarchisch organisierte Strukturen mit Makro- und Mikroporosität aufweisen und fortschrittliche Biomaterialien für TE und regenerative Medizin darstellen. Die ersten beiden Arbeiten, die Teil dieser Dissertation sind, befassen sich mit 3D-gedruckten Hydrogel-Nanokompositen für das Knochengewebe-Engineering und zeigen einen verbesserten Ansatz zur Kontrolle der Mikrostruktur und zur effizienten Wirkstoffabgabe. Diese multifunktionalen Materialien weisen eine erhöhte mechanische Steifigkeit, antibakterielle Eigenschaften und die Fähigkeit zur gleichzeitigen Verabreichung von therapeutischen Wirkstoffen und Ionen auf, was potenzielle Anwendungen im Knochengewebe-Engineering ermöglicht. In der dritten Arbeit dieser Dissertation wird ein 3D-gedrucktes Hydrogelgerüst für Wundverbände vorgestellt, das in der Lage ist, gleichzeitig Arzneimittel abzugeben und therapeutische Ionen freizusetzen. Die in dieser Studie vorgestellte Technologie verbessert die Wundheilung, indem sie das Zellverhalten verbessert, die Expression von Wachstumsfaktoren erhöht und den Wundverschluss durch den Einsatz einer innovativen phytotherapeutischen Verbindung (ASX) erleichtert. Zusammengenommen zeigen diese Studien die Vielseitigkeit und das Potenzial des 3D-Drucks und des ADA-GEL-Hydrogelsystems für die Entwicklung von bioaktive Biomaterialien für verschiedene biomedizinische Zwecke, die vom Knochengewebe-Engineering bis zur Wundheilung reichen.