Recombinant protein-based hydro-gels for biotech applications

Abstract

Silk elastin-like protein (SELP) hydrogels are an example of protein-based materials that have gained interest in the past years for biomedical and biotechnological applications, due to their remarkable properties such as biocompatibility and biodegradability. SELPs are a class of recombinant proteins, typ ically composed of silk-like (GAGAGS) and elastin-like (VPGVG) blocks. In aqueous solutions, some of these polymers demonstrated the ability to self-assemble, through a temperature-mediated process, lead ing to the formation of a hydrogel. The mechanism behind the gelation of SELPs is thought to be driven by a combination of two factors, the crystallization of the silk-like blocks and the thermoresponsive behav iour of the elastin-like blocks, which aggregate and become insoluble after reaching a specific transition temperature (Tt). While several studies report the use of SELP-based hydrogels, the focus is usually on their applicability, lacking insights on the chemical structural and physical properties. Based on this, the main objective of this dissertation was to perform a thorough study on the effect of composition, concen tration and curing temperatures on the physical-chemical properties of SELP-based hydrogels. Three different SELP copolymers with similar molecular weights, namely SELP-59-A, SELP-520- A, and SELP-1020-A, were used, with differences in both the silk-to-elastin ratio and the length of each block. The SELPs used had their elastin block based on the pentamer VPAVG, which is known to confer an acute thermal hysteresis. The obtained results demonstrate the versatility of SELPs for the develop ment of hydrogels, since that, by using only three polymers and by varying their concentrations and cure temperatures, an assortment of different properties was obtained. The thermo-responsive behaviour was shown to be reversible at some extent coupled with an acute hysteresis behaviour, being dependent on both polymer concentration and composition. Formation of non-flowing hydrogels was observed with a dependence on cure temperature (higher temperature resulted in higher gelation rates), polymer compo sition and concentration. The secondary structure of the hydrogels was found to be mainly dependent on cure temperature (increase in temperature resulted in an increase in ordered structures) and on polymer composition. The formation of a defined porous network and particles was also observed, with a depend ence on both polymer composition and concentration as well as on cure temperature. The mechani cal/rheological properties of SELPs were also found to be dependent on the parameters described above.

Hidrogéis com base em proteínas semelhantes à seda e elastina (SELPs) têm sido alvo de inte resse para a área biomédica, devido às suas propriedades excecionais de biocompatibilidade e biodegra dabilidade. SELPs são uma classe de proteínas recombinantes, tipicamente compostas por blocos tipo seda (GAGAGS) e tipo-elastina (VPGVG). Em solução aquosa, alguns destes polímeros demonstraram a capacidade de se auto-organizarem (“self-assemble”) e formarem hidrogéis, num processo de gelificação mediado pela temperatura. O mecanismo por detrás do processo de gelificação dos SELPs é atribuído a uma combinação de dois fatores, a cristalização dos blocos de seda e ao comportamento termo-respon sivo dos blocos de elastina, que formam agregados insolúveis acima de uma determinada temperatura de transição (Tt). A grande maioria dos estudos feitos nesta área tem como principal foco a aplicabilidade destes materiais, faltando estudos relativos à caracterização estrutural e física. Assim, esta dissertação teve como principal objetivo avaliar o efeito da composição, concentração e temperatura de cura nas propriedades físico-químicas de hidrogéis de SELPs. Nesta dissertação foram considerados três SELPs diferentes, nomeadamente SELP-59-A, SELP 520-A e SELP-1020-A, que apresentam peso molecular semelhante mas de diferente composição a nível do rácio seda-elastina e do comprimento dos blocos. No caso específico destes co-polímeros, o bloco de elastina consiste no pentâmero VPAVG, o qual é caracterizado por uma histerese térmica aguda quando em solução aquosa. Os resultados obtidos demonstram a versatilidade dos SELPs para o desenvolvi mento de hidrogéis, dado que, utilizando apenas três polímeros e variando apenas concentrações e temperaturas de cura, foi possível obter uma variedade de diferentes propriedades. O comportamento termo-responsivo mostrou ser reversível e associado a um comportamento de histerese aguda, sendo dependente tanto da concentração como da composição do polímero. A formação de hidrogéis não flui dos foi observada, e mostraram dependência da temperatura de cura (temperaturas mais altas resulta ram em taxas de gelificação mais altas) e da composição e concentração do polímero. A estrutura se cundária dos hidrogéis também mostrou ser influenciada principalmente pela temperatura de cura (au mento da temperatura resultou num aumento de estruturas ordenadas) e pela composição do polímero. Foi observada a formação de uma rede porosa definida e de partículas, que dependendeu tanto da composição e concentração do polímero como da temperatura de cura. As propriedades reológicas dos SELPs também demonstraram serem influenciadas pelos parâmetros descritos acima.