Dynamic Covalent Hydrogels
From Fundamental Chemistry to Functional Biomaterials
Tid: Fr 2025-11-14 kl 10.00
Plats: Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm
Videolänk: https://kth-se.zoom.us/j/66891035930
Språk: Engelska
Ämnesområde: Fiber- och polymervetenskap
Respondent: Taha Behroozi Kohlan , Polymerteknologi
Opponent: Associate Professor Matthew Baker, Maastricht University, Nederländerna
Handledare: Professor Anna Finne Wistrand, Polymerteknologi; Assistant professor Fredrik Schaufelberger, Organisk kemi, Department of Chemistry, University of Warwick, Gibbet Hill Rd, Coventry, CV4 7AL UK
QC 20251016
Abstract
Att regenerera mänsklig vävnad har länge varit ett mål inom biomedicinsk forskning. Den mänskliga kroppens komplexitet kräver en djup förståelse för och samverkan mellan kemi, materialvetenskap och biologi för att nå detta mål. Biomaterialen utvecklas för att efterlikna de naturliga vävnadsmiljöerna och fungera både som implanterbara material och realistiska vävnadsmodeller. En karakteristisk egenskap hos naturliga vävnader är deras dynamiska natur, både vad gäller biokemiska och mekaniska egenskaper. Att efterlikna denna dynamik med syntetiska system är det övergripande målet för denna avhandling.
Denna avhandling beskriver en väg som drar nytta av grundläggande kemiska koncept och reaktioner för utveckling av biomaterial som kan påverka cellulära reaktioner. Den första delen av avhandlingen fokuserar på dynamiska kovalenta hydrogeler baserade på hyaluronsyra och alginat, framställda genom skräddarsydda tvärbindningsstrategier med imin-, hydrazon- och oximbindningar. Dessa dynamiska bindningar gav hydrogelerna mångsidiga och justerbara egenskaper, såsom viskoelasticitet, självläkning och injicerbarhet. Hydrogeldynamiken, särskilt graden av stressrelaxation, visade sig ha stor inverkan på cellers spridning och morfologi i både 2D- och 3D. Vidare användes iminbindningar för att modulera frisättning av en molekyl från hydrogelmatriserna och på det sättet förhindra en plötslig frisättning.
Den andra delen av avhandlingen bygger vidare på kunskapen från den första delen för att utveckla dynamiska hydrogeler som har skräddarsydda mikromiljöer. Ljusresponsiva grupper användes för att möjliggöra spatiotemporal styrning av de biokemiska och mekaniska egenskaperna hos hydrogelerna med noggrannhet på mikrometer-skala. För att påverka de biokemiska egenskaperna användes ljus för att frigöra bindningsställen i selektiva regioner i hydrogelerna till vilka bioaktiva ämnen kunde kopplas. Bindningen åstadkoms genom Schiff-baser med varierande hydrolytisk stabilitet, vilket gav möjlighet till justerbar frisättning av de bioaktiva ämnena. De mekaniska egenskaperna hos mikromiljöerna modifierades genom att frigöra en konkurrerande mer nukleofil tvärbindare med hjälp av ljus, vilket förändrade tvärbindningskemin utan att påverka tvärbindningstätheten. På så sätt kunde hydrogelernas styvhet och viskoelasticitet, viktiga faktorer för cellbeteende, regleras med hög spatiotemporal precision.
Resultaten visar en utveckling från design av dynamiska kovalenta hydrogeler till en exakt och spatiotemporal kontroll av hydrogelernas egenskaper. Denna avhandling bidrar till att minska skillnaden mellan befintliga hydrogeldesigner och de dynamiska, heterogena egenskaper som präglar naturliga vävnadsmiljöer. Forskningen skapar därmed en plattform för utveckling av dynamiska och heterogena biomaterial som liknar naturliga vävnader.