Multifunctional hydrogels for advanced regenerative therapies

(English) Implant-associated infections remain one of the most critical challenges in the biomedical field. Despite advances in aseptic surgical techniques and antibiotic therapies, the persistence of bacterial colonization on implant surfaces -often involving biofilm formation- continues to compromise clinical outcomes. Conventional treatment strategies, including the systemic administration of antibiotics, local drug delivery systems, and surgical debridement, often fail to effectively eradicate biofilms, particularly those formed by pathogens such as Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa. Concurrently, the field of tissue engineering demands implantable materials that not only support tissue regeneration but also provide active defense against infection. However, most currently available materials fall short of achieving this dual function. In contaminated or high-risk environments, this shortcoming becomes especially critical. To address these limitations, there has been a growing focus on developing next-generation biomaterials that are no longer passive scaffolds but bioactive and dynamic systems capable of interacting with the biological milieu in real time. In this context, biofunctionalization has emerged as a powerful strategy to enhance both regenerative and antimicrobial properties of biomaterials. Among the different bioactive tools available, peptides have shown considerable promise due to their tunable chemistry, modular architecture, and high specificity. This thesis focuses on two peptide motifs with complementary bioactivities: RGD, which promotes cell adhesion, and hLf1-11, a broad-spectrum antimicrobial peptide derived from human lactoferrin. Together, these peptides represent a rational platform for engineering multifunctional materials that address the dual challenge of infection control and tissue integration. Specifically, the present work investigates the integration of RGD and hLf1-11 peptides into three hydrogel-based material systems, each representing a distinct level of biofunctionality and design complexity: • Chapter I examines the modification of alginate, a naturally derived but bioinert polymer, with RGD-hLf1-11 to evaluate stem cell behavior and antimicrobial activity. • Chapter II explores a fully synthetic PEG-based hydrogel system functionalised with these peptides and incorporating a protease-sensitive crosslinker to enable bioactivity and controlled degradation. • Chapter III focuses on self-assembling peptide hydrogels, where both structural assembly and biological function are encoded at the molecular level, enabling the formation of intrinsically bioactive materials without further modification. Collectively, these platforms offer a comparative and progressive approach toward the design of multifunctional hydrogels. This work not only demonstrates the feasibility of dual viii biofunctionalization but also highlights the critical roles of molecular architecture, crosslinking strategy, and material origin in shaping biological responses. Ultimately, this thesis contributes to the development of smart biomaterials that are both cell-instructive and antibacterial, aligning with the growing clinical need for adaptable, multifunctional solutions in regenerative medicine and infection-prone environments. (Català) Les infeccions associades als implants continuen essent un dels reptes més importants en l’àmbit biomèdic. Malgrat els avenços en les tècniques quirúrgiques asèptiques i les teràpies amb antibiòtics, la persistent colonització bacteriana de les superfícies dels implants —que sovint implica el desenvolupament de biopel·lícules bacterianes— continua comprometent els resultats clínics. Les estratègies de tractament convencionals, que inclouen l’administració d’antibiòtics sistèmics, els sistemes d’alliberament local de fàrmacs i el desbridament quirúrgic, sovint no aconsegueixen eradicar eficaçment les biopel·lícules, especialment les formades per patògens com Staphylococcus aureus i Pseudomonas aeruginosa. Paral·lelament, l’àmbit de l’enginyeria de teixits exigeix materials implantables que no només afavoreixin la regeneració tissular, sinó que també ofereixin una defensa activa contra les infeccions. Tanmateix, la majoria dels materials disponibles actualment no assoleixen aquesta doble funcionalitat. En entorns contaminats o amb alt risc d’infecció, aquesta limitació esdevé especialment crítica. Per abordar-ho, s’ha posat cada vegada més el focus en el desenvolupament de biomaterials de nova generació que deixin de ser bastides passives per convertir-se en sistemes bioactius i dinàmics, capaços d’interactuar amb l’entorn biològic en temps real. En aquest context, la biofuncionalització ha sorgit com una estratègia potent per millorar i potenciar tant les propietats regeneratives com les antimicrobianes dels biomaterials. D’entre les diverses eines bioactives disponibles, els pèptids han demostrat un gran potencial, gràcies a la seva química adaptable, arquitectura modular i elevada especificitat. Aquesta tesi se centra en dos motius peptídics amb bioactivitats complementàries: el RGD, que promou l’adhesió cel·lular, i l’hLf1-11, un pèptid antimicrobià d’ampli espectre derivat de la lactoferrina humana. Junts, aquests pèptids constitueixen una plataforma racional per a l’enginyeria de materials multifuncionals que aborden el doble repte del control d’infeccions i la integració tissular. Concretament, aquest treball investiga la integració dels pèptids RGD i hLf1-11 en tres sistemes materials basats en hidrogels, cadascun dels quals representa un nivell diferent de funcionalitat i complexitat de disseny: • El capítol I examina la modificació de l’alginat, un polímer natural però bioinert, amb RGD-hLf1-11 per avaluar el comportament de les cèl·lules mare i l’activitat antimicrobiana. • El capítol II explora un sistema d’hidrogel totalment sintètic basat en PEG, biofuncionalitzat amb aquests pèptids i incorporant un agent de reticulació sensible a proteases per permetre la bioactivitat i la degradació controlada. • El capítol III se centra en els hidrogels peptídics autoensamblables, en els quals tant l’autoorganització estructural com la funció biològica estan codificades a escala molecular, cosa que permet la formació de materials intrínsecament bioactius sense necessitat de modificacions addicionals. En conjunt, aquestes plataformes ofereixen un enfocament comparatiu i progressiu per al disseny d’hidrogels multifuncionals. Aquest treball no només demostra la viabilitat de la biofuncionalització dual, sinó que també posa en relleu el paper fonamental de l’arquitectura molecular, l’estratègia de reticulació i l’origen dels materials en la configuració de les respostes biològiques. En darrer terme, aquesta tesi contribueix al desenvolupament de biomaterials intel·ligents que són alhora instructius per a les cèl·lules i antibacterians, en línia amb la creixent necessitat clínica de solucions adaptables i multifuncionals en medicina regenerativa i en entorns amb risc d’infecció. (Español) Las infecciones asociadas a implantes siguen siendo una de los retos más importantes en el campo biomédico. A pesar de los avances en las técnicas quirúrgicas asépticas y las terapias con antibióticos, la persistente colonización bacteriana en las superficies de los implantes, -que a menudo implica el desarrollo de biopelículas bacterianas-, sigue comprometiendo los resultados clínicos. Las estrategias de tratamiento convencionales, que incluyen la administración de antibióticos sistémicos, sistemas de administración local de fármacos y el desbridamiento quirúrgico, a menudo no logran erradicar eficazmente las biopelículas bacterianas, en particular aquellas formadas por patógenos como como Staphylococcus aureus y Pseudomonas aeruginosa. Al mismo tiempo, el campo de la ingeniería tisular exige materiales implantables que no solo favorezcan la regeneración de los tejidos, sino que también proporcionen una defensa activa contra las infecciones. Sin embargo, la mayoría de los materiales disponibles actualmente no logran esta doble funcionalidad. En entornos contaminados o de alto riesgo de infección, esta deficiencia se vuelve especialmente crítica. Para abordar estas limitaciones, se ha prestado cada vez más atención al desarrollo de biomateriales de última generación que ya no sean andamios pasivos, sino sistemas bioactivos y dinámicos capaces de interactuar con el entorno biológico en tiempo real. En este sentido, la biofuncionalización ha surgido como una poderosa estrategia para mejorar y promover tanto las propiedades regenerativas como antimicrobianas de los biomateriales. Entre las diferentes herramientas con bioactividad disponibles, los péptidos han demostrado ser muy prometedores debido a su química adaptable, su arquitectura modular y su alta especificidad. Esta tesis se centra en dos motivos peptídicos con bioactividades complementarias: el RGD, que promueve la adhesión celular, y el hLf1-11, un péptido antimicrobiano de amplio espectro derivado de la lactoferrina humana. Juntos, estos péptidos representan una plataforma racional para la ingeniería de materiales multifuncionales que abordan el doble reto del control de infecciones y la integración tisular. Concretamente, el siguiente trabajo investiga la integración de los péptidos RGD y hLf1-11 en tres sistemas de materiales basados en hidrogeles, cada uno de los cuales representa un nivel diferente de funcionalidad y complejidad de diseño: • El capítulo I examina la modificación del alginato, un polímero natural pero bioinerte, con RGD-hLf1-11 para evaluar el comportamiento de las células madre y la actividad antimicrobiana. • El capítulo II explora un sistema de hidrogel totalmente sintético basado en PEG biofuncionalizado con estos péptidos e incorporando un agente de reticulación sensible a la proteasa para permitir la bioactividad y la degradación controlada. • El capítulo III se centra en los hidrogeles peptídicos autoensamblables, en los que tanto el ensamblaje estructural como la función biológica están codificados a nivel molecular, lo que permite la formación de materiales intrínsecamente bioactivos sin necesidad de modificaciones adicionales. En conjunto, estas plataformas ofrecen un enfoque comparativo y progresivo para el diseño de hidrogeles multifuncionales. Este trabajo no solo demuestra la viabilidad de la biofuncionalización dual, sino que también destaca el papel fundamental de la arquitectura molecular, la estrategia de reticulación y el origen de los materiales en la configuración de las respuestas biológicas. En última instancia, esta tesis contribuye al desarrollo de biomateriales inteligentes que son tanto instructivos para las células como antibacterianos, en línea con la creciente necesidad clínica de soluciones adaptables y multifuncionales en medicina regenerativa y en entornos propensos a las infecciones.