Biomedical applications of nanofibrillar cellulose

Abstract

Hydrogels are emerging as an important source for current biomaterial design, as they often possess intrinsic physical and mechanical similarities with soft tissue, are non-toxic and biocompatible. However, many hydrogel-based biomimetic materials are either derived from limited sources, or require external activators to achieve functionality, such as chemical crosslinking or environmental cues. Furthermore, many cross-linkers used with hydrogels are toxic, and environmental cues invoke slow responses. Therefore, to function as a rational biomaterial design for a biomedical application, these properties are preferably avoided, or improved with a composite system containing two or more polymer components to overcome these limitations.

Plant-derived nanofibrillar cellulose (NFC) possesses the same intrinsic properties as many other hydrogels derived from the components of extracellular matrices (ECM). Therefore, NFC shares the biocompatibility and non-toxicity aspects of biomimetic materials. However, additional features of NFC can be exploited, such as shear-thinning properties, spontaneous self-gelation and chemical modification capabilities. Additionally, the source of NFC is practically inexhaustible, and is environmentally biodegradable, bearing no ecological burden. Therefore, when designing hydrogel-based biomaterials, NFC offers versatility, which enables the fabrication of potential biomedical applications for various purposes in an environmentally safe way.

In this thesis, a wide range of potential applications of NFC-based hydrogels were investigated. These include 3D cell culturing, in vivo implantation and coating systems for drug and cell delivery, controlled drug delivery and local delivery as a bioadhesive system. These methods offer insight into the versatility of NFC-based hydrogels, which could improve the future design of biomaterials, for a safer and more efficient use in biomedical applications.

Hydrogeelien käyttö uusien biomateriaalien lähteenä on jatkuvasti nousussa, koska niiden fysikaaliset ja mekaaniset ominaisuudet muistuttavat luontaisesti pehmytkudosta, ja ne ovat biologisesti yhteensopivia aiheuttamatta solutoksisuutta. Kuitenkin, monet hydrogeeleihin perustuvat biomimeettiset materiaalit ovat peräisin rajallisista lähteistä tai vaativat ulkoisia aktivaattoreita funktionaalisuuden takaamiseksi. Funktionaalisuus saavutetaan usein ympäristössä olevien tekijöiden avulla, kuten lämmön tai pH:n vaikutuksesta, tai kemiallisilla yhdisteillä. Monet hydrogeelejä aktivoivat kemialliset yhdisteet ovat kuitenkin solutoksisia, ja lisäksi, ympäristön kautta tapahtuva aktivointi on usein prosessina liian hidas. Tästä syystä, funktionaalisten biomateriaalien suunnittelussa näitä ominaisuuksia pyritään välttämään. Tai näitä ominaisuuksia pyritään korjaamaan yhdistämällä kahta tai useampaa polymeerikomponenttia samaan systeemiin.

Kasviperäisellä nanofibrillaarisella selluloosalla (NFC) on samoja ominaispiirteitä kuin monilla muillakin hydrogeeleillä, jotka ovat peräisin ekstrasellulaarisesta matriisista. Tästä johtuen, NFC:llä on myös biomimeettisiä ominaisuuksia, kuten esimerkiksi biologinen yhteensopivuus ja myrkyttömyys. Näiden lisäksi, NFC:n muita ominaisuuksia voidaan hyödyntää, kuten leikkausohenevuutta, spontaania gelatinoitumista ja kemiallista muokattavuutta. Lisäksi NFC:n lähde raaka-aineena on käytännössä loputon ja se on ympäristössä biologisesti hajoava. Näistä syistä NFC on erittäin monipuolinen uusien biomateriaalien suunnittelussa. NFC:n avulla on mahdollista valmistaa potentiaalisia biolääketieteellisiä sovelluksia erilaisiin tarkoituksiin ympäristöystävällisellä tavalla.

Tässä työssä tutkittiin NFC-pohjaisten hydrogeelien mahdollisia farmaseuttisia ja biolääketieteellisiä sovelluksia. Näitä sovelluksia ovat mm. 3D-soluviljely, in vivo implantaatio- ja päällystysmateriaali lääkeaineiden ja solujen kuljettamiseen elimistöön sekä kontrolloitu- ja paikallinen lääkeannostelu bioadhesiivisena lääkevalmisteena. Nämä menetelmät kartuttavat uutta tietoa liittyen NFC-pohjaisten hydrogeelien monipuolisuuteen. Lisäksi, näiden menetelmien avulla on mahdollista kehittää biomateriaalien suunnittelua kohti turvallisempaa ja tehokkaampaa biolääketieteellisten sovellusten käyttöä.