分子量分布によるアルギン酸ヒドロゲルの剛性と分解の制御

細胞移植ビルとして利用されたヒドロゲルの機械的剛性と分解速度は、新しい組織形成における重要な要因と見なされてきました。ただし、ゲルの分解速度を加速するための従来のアプローチは、並行して機械的サポートとして機能を悪化させます。加水分解的に不安定であるがゲルを形成できるポリマーの分子量分布を調整すると、弾性弾性率の範囲を制限しながら、ゲルの分解速度を広範囲にわたって変化させることができると仮定しました（E）。この仮説を、イオン的および共有結合部分酸化（1％ウロン酸残基）、低い[分子量（MW）約60,000 g/mol）および高MWアルギン酸塩（MW約120,000 g/mol）の両方から形成されたバイナリアルギン酸ハイドロゲルを、さまざまな架橋戦略でこのアプローチの実用性を調べるために調査しました。低MWアルギン酸塩の割合を0.50に増やすと、高MWアルギン酸ゲルと同様のEの値が維持されましたが、架橋モードに関係なく、より速い分解をもたらしました。この結果は、低MWアルギン酸塩のチェーン破損時の架橋ドメイン間のより速い分離に起因し、高MWアルギン酸塩よりも速いチェーン硬化と相まってものでした。より急速に分解される酸化バイナリヒドロゲルは、非酸化高MWヒドロゲルと比較して、移植された骨髄間質細胞からの新しい骨組織の形成を促進しました。これらの研究の結果は、ヒドロゲル形成ポリマーの幅広い配列の物理的特性を制御するのに役立ちます。

The mechanical rigidity and degradation rate of hydrogels utilized as cell transplantation vehicles have been regarded as critical factors in new tissue formation. However, conventional approaches to accelerate the degradation rate of gels deteriorate their function as a mechanical support in parallel. We hypothesized that adjusting the molecular weight distribution of polymers that are hydrolytically labile but capable of forming gels would allow one to alter the degradation rate of the gels over a broad range, while limiting the range of their elastic moduli (E). We investigated this hypothesis with binary alginate hydrogels formed from both ionically and covalently cross-linked partially oxidized (1% uronic acid residues), low [molecular weight (MW) approximately 60,000 g/mol] and high MW alginates (MW approximately 120,000 g/mol) in order to examine the utility of this approach with various cross-linking strategies. Increasing the fraction of low MW alginates to 0.50 maintained a value of E similar to that for the high MW alginate gels but led to faster degradation, irrespective of the cross-linking mode. This result was attributed to a faster separation between cross-linked domains upon chain breakages for the low MW alginates, coupled with their faster chain scission than the high MW alginates. The more rapidly degrading oxidized binary hydrogels facilitated the formation of new bone tissues from transplanted bone marrow stromal cells, as compared with the nonoxidized high MW hydrogels. The results of these studies will be useful for controlling the physical properties of a broad array of hydrogel-forming polymers.