Low-ethanol silica sols for cell encapsulation

Abstract

3D cell encapsulation is a method utilized in the fields of cell biology and tissue engineering and in the testing of chemicals. A variety of materials are available for use as encapsulation matrices. Materials of biological origin feature advantages in terms of biological compatibility but they may feature variations in quality. Synthetic materials can offer higher reproducibility but they may also require modification to achieve the necessary functionalities. One category of synthetic cell encapsulation materials are synthetic silica sols and gels.

Synthetic silica sols and gels can be manufactured via acid catalyzed hydrolysis of silicon alkoxides and base catalyzed condensation of silica aggregates. In the case of tetraethoxysilane (TEOS) a byproduct of the process is ethanol which is harmful for some cell types and it is thus necessary to remove it prior to use in cell encapsulation. The aim of this thesis was to develop a process for producing low-ethanol silica sols and gels for cell encapsulation research.

An evaporation process was developed for removing ethanol from a silica sol produced via the acid catalyzed pathway. In addition, two methods, dry weight determination and an absorbance measurement were applied for studying the properties of sols and gels. The ethanol concentration of the silica sols and gels was determined by headspace gas chromatography. Process development was conducted by adjusting process duration between separate production batches, followed by analytical methods to determine the effects of the changes on the product.

The process could produce silica sols and gels with an ethanol concentration of or below 0.1 w-%. Dry weight determination was found to provide some information about the product but the method requires further improvement. Absorbance measurement was found to provide qualitative information about the effect of sol maturation on gelation time.

The method developed within this thesis can be used to produce acidic silica sols and gels of low ethanol concentration. While the process configuration is simple and somewhat suitable for the intended purpose, several aspects of the process and analytical methods demand further development in order to achieve sufficiently reproducible outcomes and reliable information.

3D-solukapselointi on menetelmä jota käytetään solubiologian, kudosteknologian ja kemikaalien testauksen yhteydessä. Erilaisia materiaaleja on tarjolla solukapselointia varten. Biologista alkuperää olevien materiaalien etuna on biologinen yhteensopivuus mutta niiden laatu voi vaihdella. Synteettisillä materiaaleilla voidaan saavuttaa parempi toistettavuus mutta toiminnallisuuden edellytyksenä voi olla materiaalin muokkaaminen. Yksi luokka synteettisistä solukapselointimateriaaleista ovat synteettiset silikasoolit ja geelit.

Synteettisiä silikasooleja ja geelejä voidaan valmistaa piialkoksidien hapolla katalysoidun hydrolyysin ja silika-aggregaattien emäksellä katalysoidun kondensoitumisen kautta. Tetraetoksisilaanin (TEOS) tapauksessa reaktion sivutuote on etanoli, joka on haitallista joillekin solutyypeille ja siten sen poistaminen ennen materiaalin käyttöä solukapselointiin on tarpeellista. Opinnäytetyön tavoitteena oli kehittää prosessi alhaisen etanolipitoisuuden silikasoolien ja geelien tuottamiseen solukapselointitutkimusta varten.

Haihdutusprosessi kehitettiin etanolin poistamiseen happokatalyysin avulla tuotetuista silikasooleista ja geeleistä. Lisäksi kahta menetelmää, kuiva-ainemääritystä ja absorbanssimittausta, sovellettiin soolien ja geelien ominaisuuksien tutkimiseen. Etanolin pitoisuus silikasooleissa ja geeleissä määritettiin headspace-kaasukromatografialla. Prosessin kehitys totetutettiin muuttamalla prosessin kestoa eri tuotantoerien välillä ja analysoimalla muutosten vaikutus tuotteeseen.

Prosessilla voitiin tuottaa silikasooleja ja geelejä joiden etanolipitoisuus oli 0.1 m-% tai vähemmän. Kuiva-ainemäärityksen todettiin tarjoavan jonkin verran tietoa tuotteesta mutta menetelmä vaatii jatkokehitystä. Absorbanssimittauksella voitiin tuottaa laadullista tietoa soolin maturaation vaikutuksesta geelautumisaikaan.

Työssä kehitettyä menetelmää voidaan käyttää alhaisen etanolipitoisuuden silikasoolien ja geelien tuottamiseen. Siinä missä prosessin kokoonpano on yksinkertainen ja jossain määrin sopiva tarkoitukseensa nähden, useat prosessin ja analyysimenetelmien ominaisuudet edellyttävät jatkokehitystä riittävän toistettavien lopputulosten saavuttamiseksi ja luotettavan tiedon keräämiseksi.