Systematic evaluation of photoinitiating systems for engineering tunable gelma hydrogels

Abstract

Abstract: Over the years, biomaterials have become central to the development of advanced biomedical therapies, offering customizable platforms for tissue engineering, regenerative medicine, and controlled drug delivery. Among these, gelatin, a denatured derivative of collagen, has emerged as a highly promising candidate owing to its inherent biocompatibility, biodegradability, and cell-interactive features that facilitate cell adhesion, migration, and remodeling. However, native gelatin suffers from lack of tunability, poor mechanical strength and rapid dissolution at physiological conditions, limiting its use in tissue engineering applications without further modification. To overcome these drawbacks, gelatin methacryloyl (GelMA) was developed by introducing methacryloyl groups onto gelatin backbones, thereby enabling light-mediated covalent cross-linking and yielding hydrogels with adjustable mechanical properties and high cytocompatibility, making GelMA an exceptionally versatile biomaterial for wide range of biomedical applications. While GelMA's photo-crosslinkability offers precise spatiotemporal control, its final properties are highly dependent on the photoinitiator system and its concentration. Despite the broad use of both UV- and visible-light-sensitive initiators, the field still lacks rigorous side-by-side evaluations under standardized conditions, limiting our understanding of how initiator chemistry shapes hydrogel performance. To address this, the present thesis study systematically compares the effects of three commonly used systems Eosin Y (EY), Lithium phenyl-2,4,6-trimethylbenzoylphosphinate (LAP), and Ruthenium/Sodium Persulfate (Ru/SPS), on the mechanical, degradation, swelling, and cytocompatibility properties of 5% and 10% (w/v) GelMA hydrogels. A comprehensive experimental workflow was employed, including real-time rheometry, enzymatic degradation studies, swelling and porosity analysis, and NIH-3T3 fibroblast viability assays. GelMA synthesis yielded a high degree of methacrylation (~81%), ensuring consistent cross-linking performance. The study identified system-specific threshold photoinitiator concentrations beyond which mechanical or biological performance was compromised, thereby elucidating critical trade-offs among stiffness, stability, and cytocompatibility. Distinct polymerization kinetics and structure–function relationships were revealed: LAP enabled rapid UV crosslinking with broad cytocompatibility, EY supported uniform visible-light-mediated networks with controlled gelation, and Ru/SPS, despite cytotoxicity at elevated concentrations, provided a degradable and highly swellable scaffold ideal for transient biomedical applications. Collectively, this work provides an essential resource for rational photoinitiator selection and hydrogel design, offering actionable insights for the engineering of GelMA-based constructs tailored to specific biomedical applications.

Özet: Biyomalzemeler yıllardır doku mühendisliği, rejeneratif tıp ve kontrollü ilaç salımı gibi gelişmiş biyomedikal tedavilerin geliştirilmesinde merkezi bir rol oynamaya oynamıştır. Bu biyomalzemeler arasında, kolajenin denatüre bir türevi olan jelatin; hücre yapışması, göçü ve yeniden yapılanmasını kolaylaştıran biyouyumlu, biyobozunur ve hücre etkileşimli özellikleri sayesinde son derece umut verici bir aday olarak öne çıkmaktadır. Ancak saf jelatin, ayarlanabilir mekanik özellikler sunamaması ve fizyolojik koşullarda hızla çözünmesi gibi dezavantajlara sahip olduğundan, doku mühendisliği uygulamalarında doğrudan kullanılmasında sınırlamalar mevcuttur. Bu sınırlamaları aşmak adına, jelatin yapısına metakril gruplarının eklenmesiyle Jelatin Metakrilat (JelMA) geliştirilmiştir. Bu yapı, ışıkla başlatılan kovalent çapraz bağlanmaya olanak tanıyarak, ayarlanabilir mekanik özelliklere ve yüksek hücre uyumluluğuna sahip hidrojellerin elde edilmesini sağlamış; böylece JelMA, geniş bir biyomedikal uygulama yelpazesi için çok yönlü bir platforma dönüşmüştür. JelMA'nın fotobaşlatıcılar aracılığıyla çapraz bağlanabilir oluşu, hem zamansal hem de mekânsal kontrol açısından büyük avantajlar sunsa da, elde edilen hidrojelin fizikokimyasal ve biyolojik özellikleri büyük ölçüde kullanılan fotobaşlatıcı sisteme ve konsantrasyonuna bağlıdır. UV ve görünür ışıkla aktive olan fotobaşlatıcılar yaygın olarak kullanılıyor olsa da, bu sistemlerin JelMA üzerindeki etkilerini aynı koşullar altında karşılaştıran sistematik çalışmalar literatürde sınırlıdır. Bu bağlamda, bu tez çalışması, üç yaygın fotobaşlatıcı sistem olan Eosin Y (EY), Lityum fenil-2,4,6-trimetilbenzoylfosfinat (LAP) ve Rutenyum/Sodyum Persülfat (Ru/SPS)'ın; %5 ve %10 (w/v) konsantrasyonlarındaki JelMA hidrojeller üzerindeki mekanik, bozunma, şişme ve sitotoksisite özelliklerini sistematik olarak karşılaştırmalı biçimde incelemeyi amaçlamaktadır. Çalışma kapsamında gerçek zamanlı reometri, enzimatik bozunma analizi, şişme ve porozite karakterizasyonları ile NIH-3T3 fibroblast canlılık analizlerini içeren kapsamlı bir deneysel çalışma yürütülmüştür. Sentezlenen JelMA polimeri yaklaşık %81 oranında metakrilleşme derecesine sahip olup, çapraz bağlanma açısından yüksek tekrarlanabilirlik göstermiştir. Çalışma sonucunda, her bir fotobaşlatıcı sistem için, mekanik veya biyolojik performansın olumsuz etkilendiği özgül eşik konsantrasyonları belirlenmiş; böylece sertlik, stabilite ve hücre uyumluluğu arasındaki kritik denge noktaları ortaya konmuştur. Bulgular, her bir sistemin kendine özgü polimerizasyon kinetikleri ve yapı–fonksiyon ilişkileri sergilediğini göstermiştir: LAP, UV ışığı altında hızlı ve geniş biyouyumluluğa sahip çapraz bağlanma sağlarken; EY, görünür ışıkla kontrollü jelasyon ve daha homojen ağ yapısı sunmuştur. Ru/SPS ise, yüksek konsantrasyonlarda sitotoksik etkiler gösterse de, hızlı bozunabilen ve yüksek şişme kapasitesine sahip geçici doku iskeleleri için uygun bir platform olarak değerlendirilmiştir. Bu çalışma, JelMA hidrojellerin mühendisliğinde fotobaşlatıcı seçimini rasyonel temellere oturtan ve biyomedikal uygulamalara yönelik hidrojel tasarımlarına yönelik yol gösterici içgörüler sunan önemli bir kaynak niteliğindedir.