Injectable hydrogels/upconversion nanoparticles hybrid materials: a multifunctional platform for tissue engineering, imaging and on-demand drug delivery

Tissue engineering is a multidisciplinary approach to regenerate tissues by culturing cells inside three dimensional (3D) crosslinked biodegradable polymeric structures known as hydrogels. The hydrogel degrade with time and new tissue is generated. An appropriate gelation time, gel mechanical properties, pore structure, biocompatibility and degradation rate are required to successfully regenerate the tissue. Although many types of hydrogels have been produced, to regenerate a variety of tissues, producing hydrogels containing all the desirable features is still challenging. In this work we first produced in-situ forming biodegradable, injectable hydrogels from two naturally occurring polymers—chitosan (CH) and hyaluronic acid (HA), using β-glycerolphosphate and genipin as two non-toxic crosslinkers. The resulting hydrogels were highly homogenous, thermogelling, possessed excellent mechanical strength (shear strength=3.5 kPa), formed quickly inside the body (within 5 minutes) and did not cause any significant toxicity or inflammation in animals over a period of one week. Next, we developed a highly sensitive platform for real-time monitoring of hydrogel degradation inside living tissues deep inside the body. We used lanthanide-doped NIR-to-NIR upconverting nanoparticles (UCNPs) composed of LiYF4:Yb3+,Tm3+ as photolabels. The UCNPs can upconvert NIR radiation to shorter wavelengths spanning the NIR to UV region, via a sequential multi-photon absorption process. We incorporated these UCNPs inside CH-HA hydrogels, and injected into live intervertebral discs. With time, the hydrogel degraded and the UCNPs diffused out of the injection site whose location and amounts were detected using NIR imaging and PL spectroscopy as deep as 1.2 cm inside the tissues. We developed a correlation between in-vitro and in-vivo hydrogel degradation rate. We found that in-vivo hydrogel degradation was relatively faster than in-vitro degradation most likely because of the higher concentration of enzymes present inside tissues. The addition of UCNPs increased the compression strength of hydrogels and did not cause toxicity to cells up to a concentration of 500 µg/ml. In addition to NIR emission, LiYF4:Yb3+,Tm3+ UCNPs exhibit intense UV emissions, which makes them an excellent in-situ source of UV light. We exploited this to trigger the drug release from photosensitive hydrogels. We first coated UCNPs with CH chains and encapsulated fluorescein isothiocyanate- bovine serum albumin (FITC-BSA) as a model large-protein drug between the polymer chains. We crosslinked CH chains with a photocleavable linker and polyethylene glycol bisazide (PEGBA) to entrap FITC-BSA molecules inside the crosslinked CH shell. Upon NIR irradiation, the upconverted UV emission from the UCNP core was efficiently transferred to the CH shell and the photocleavable crosslinks were broken, resulting in the dissociation of the shell and liberation of FITC-BSA. The drug release was stopped immediately if the laser was turned off without any significant leakage, suggesting a complete control over drug release. Drug release could be achieved efficiently under 2 cm of tissues, using low laser power density (1.8 W/cm2). The UCNPs did not cause toxicity to cells up to 500µg/ml and 9 minutes of laser irradiation. By exploiting the NIR-to-NIR emitted radiation, the UCNPs were detected as deep as 1.5 cm. The possibility of achieving both deep tissue imaging and controlled drug release makes these UCNPs an effective theranostic platform. Combining an injectable hydrogel with UCNPs provides a multifunctional platform for tissue regeneration, bioimaging and on-demand delivery of biomolecular drugs.L'ingénierie tissulaire est une approche multidisciplinaire permettant de régénérer les tissus par la culture cellulaire à l'intérieur d'hydrogels biodégradables, réticulées, et en trois dimensions. Les hydrogels se dégradent avec le temps et un nouveau tissu est généré. Le temps de gélification, les propriétés mécaniques, la structure des pores, la biocompatibilité, et le taux de dégradation, sont des paramètres importants à prendre en compte pour régénérer le tissu avec succès. Dans ce travail, nous avons premièrement produit des hydrogels injectables et biodégradables à partir de deux polymères naturels— le chitosane (CH) et l'acide hyaluronique (HA), en utilisant le β-glycérolphosphate et la génipine comme agents de réticulation non-toxiques. Les hydrogels obtenus étaient homogènes, thermogélifiants, possédaient une excellente résistance mécanique, se formaient rapidement à l'intérieur du corps, et ne causaient pas de toxicité significative ou d'inflammation chez les animaux sur une période d'une semaine.Ensuite, nous avons développé une plateforme hautement sensible pour suivre en temps réel la dégradation des hydrogels à l'intérieur des tissus profonds. Nous avons utilisé des nanoparticules à conversion ascendante du NIR au NIR et dopées aux lanthanides (UCNPs) composées de LiYF4:Yb3+,Tm3+ comme photolabels. Les UCNPs peuvent convertir le rayonnement NIR à des longueurs d'ondes plus courtes, du NIR aux ultra-violets (UV), via un processus d'absorption multi-photons séquentiel. Nous avons intégré ces UCNPs dans les hydrogels, et injecté ces hydrogels dans des disques intervertébraux. Avec le temps, les hydrogels se sont dégradés et les UCNPs ont diffusé hors du site d'injection. Leurs emplacements et leurs quantités ont été détectés en utilisant l'imagerie NIR et la spectroscopie PL. Nous avons constaté que la dégradation in-vivo était relativement plus rapide que la dégradation in-vitro, probablement en raison de la plus forte concentration d'enzymes présentes à l'intérieur des tissus. L'addition des UCNPs augmentait la résistance à la compression des hydrogels, et ne causait pas de toxicité pour les cellules jusqu'à une concentration de 500 µg/ml.En plus de l'émission NIR, les UCNPs présentent des émissions UV intenses, ce qui les rend une excellente source de lumière UV in-situ. Nous avons exploité cette propriété pour déclencher la libération du médicament à partir d'hydrogels photosensibles. Nous avons d'abord revêtu les UCNPs avec des chaînes de CH et encapsulé de l'albumine de sérum bovin et de l'isothiocyanate de fluorescéine (FITC-BSA) en tant que médicament-grande protéine modéle entre les chaînes de polymère. Nous avons ensuite réticulé les chaînes de CH avec un agent de liaison photoclivable et du biasazide de polyéthylène glycol pour piéger les molécules de FITC-BSA à l'intérieur des chaînes de CH. Lors de l'irradiation NIR, l'émission UV convertie à partir du noyau des UCNPs a été transférée de manière efficace aux chaînes de CH et les agents de réticulation ont été brisés, ce qui a entraîné la dissociation des chaînes de CH et la libération du FITC-BSA. La libération du médicament a été arrêté immédiatement lorsque le laser été éteint sans aucune fuite importante, suggérant un contrôle complet de la libération. Elle pouvait être atteinte de manière efficace sous 2 cm de tissus, en utilisant une puissance de laser faible. Les UCNPs ne causaient pas de toxicité pour les cellules jusqu'à 500 µg/ml et 9 minutes d'irradiation. En exploitant la rayonnement émit NIR-à-NIR, les UCNPs ont été détecté aussi profond que 1,5 cm. La possibilité de réaliser à la fois l'imagerie des tissus profonds et la libération contrôlée de médicaments rend ces UCNPs une plateforme efficace de théranostic. Combiner l'hydrogel injectable avec les UCNPs fournit une plateforme multifonctionnelle pour la régénération tissulaire, la bioimagerie et la livraison à la demande de médicaments biomoléculaires