MSC-LADEN SCAFFOLDS FOR OSTEOCHONDRAL REPAIR

Osteochondral defects disrupt the functional unit formed by articular cartilage, subchondral bone, and their interface. Current clinical strategies do not reliably restore this complex organisation, creating a need for scaffolds that combine cell compatibility, tunable material properties, biochemical cues, and spatial organisation. The aim of this thesis was to develop and evaluate modular silylated sol–gel hydrogels as candidate mesenchymal stromal cell-laden scaffolds for osteochondral repair. Gelatin, hyaluronic acid, and chitosan were functionalised with alkoxysilane groups to generate single-component and multicomponent hydrogels within a shared sol–gel crosslinking framework. Hydrogel composition modulated precursor viscosity, viscoelastic properties, swelling, and stability. Extrusion-based evaluation showed that favourable rheological behaviour did not directly translate into reliable printability, mainly because dynamic sol–gel crosslinking created a narrow processing window between flow, gelation, and post-deposition stabilisation. The hydrogels showed good cytocompatibility, and N-terminal silylation of bioactive peptides improved peptide retention within a model Si-Gel network. Preliminary cell attachment and differentiation assays produced limited and non-sequence-specific responses, highlighting the need to optimise peptide presentation and biological assay conditions. This work provides a foundation for the future development of spatially organised, peptide-functionalised, cell-laden osteochondral constructs.

I difetti osteocondrali compromettono l’unità funzionale formata dalla cartilagine articolare, dall’osso subcondrale e dalla loro interfaccia. Le strategie cliniche attuali non consentono di ripristinare in modo affidabile questa organizzazione complessa, evidenziando la necessità di scaffold in grado di integrare compatibilità cellulare, proprietà modulabili, segnali biochimici e organizzazione spaziale. L’obiettivo di questa tesi è stato sviluppare e valutare idrogeli sol–gel sililati modulari come scaffold candidati contenenti cellule stromali mesenchimali per la riparazione osteocondrale. La gelatina, l’acido ialuronico e il chitosano sono stati funzionalizzati con gruppi alcossisilano per ottenere idrogeli mono- e multicomponente all’interno di un quadro comune di reticolazione sol–gel. La composizione degli idrogeli ha modulato la viscosità dei precursori, le proprietà viscoelastiche, il rigonfiamento e la stabilità. La valutazione dell’estrusione ha mostrato che proprietà reologiche favorevoli non si traducono direttamente in una stampabilità affidabile, principalmente perché la reticolazione sol–gel dinamica crea una finestra di processo ristretta tra flusso, gelificazione e stabilizzazione dopo deposizione. Gli idrogeli hanno mostrato una buona citocompatibilità, e la sililazione N-terminale di peptidi bioattivi ha migliorato la ritenzione peptidica all’interno di una rete modello Si-Gel. Gli studi preliminari di adesione e differenziamento cellulare hanno prodotto risposte limitate e non specifiche della sequenza, evidenziando la necessità di ottimizzare la presentazione peptidica e le condizioni dei saggi biologici. Questo lavoro fornisce una base per il futuro sviluppo di costrutti osteocondrali cellularizzati, funzionalizzati con peptidi e spazialmente organizzati.