Hydroxyapatite-Reinforced GelMA Hydrogels Promote Enhanced Osteogenic Differentiation of 3D Cell Spheroids

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Bone fractures remain a major clinical challenge, particularly in cases involving large defects, metabolic disorders, or age-related fragility, where the intrinsic regenerative capacity of bone is insufficient to achieve full recovery. Biomaterial-based strategies have therefore gained increasing attention for supporting and accelerating bone repair. Hydrogels, with their highly hydrated, tissue-mimetic networks, offer a versatile platform for cellular support, controlled therapeutic delivery, and structural integration with host tissue. Among them, Gelatin Methacryloyl (GelMA) stands out for its intrinsic bioactivity, tunable mechanical properties, and photocrosslinkable chemistry, enabling precise fabrication of scaffolds and drug-releasing matrices. Hydroxyapatite (HAp), the principal inorganic component of natural bone, provides complementary advantages through its osteoconductivity, ion-releasing bioactivity, and ability to modulate osteogenic signaling; however, its brittleness limits its standalone use. Combining GelMA with HAp offers a promising hybrid system that integrates structural flexibility with mineral-derived biological cues.
In this study, we engineered GelMA–HAp composite hydrogels as an advanced biomimetic platform for sustained therapeutic delivery and enhanced osteogenic potential. By incorporating varying concentrations of HAp, we examined how mineral content influences hydrogel swelling behavior, network structure, and potential performance as a drug- releasing scaffold. Our results demonstrate that HAp incorporation reduces swelling ratios and promotes more stable hydrogel architecture, suggesting increased network density and improved suitability for controlled release applications. These findings highlight GelMA– HAp composites as a promising class of biomaterials capable of providing mechanical support, biologically relevant signaling, and tunable drug release, offering new opportunities for bone regeneration and targeted therapeutic delivery.

국문 초록 (Abstract)

골 골절은 특히 대형 결손, 대사성 질환, 또는 노화로 인한 취약성이 동반된 경우에 임상적으로 큰 도전 과제로 남아 있다. 이러한 상황에서는 뼈의 고유한 재생 능력이 완전한 회복을 이루기에 충분하지 않기 때문이다. 이에 따라 뼈 재생을 지지하고 가속화하기 위한 생체재료 기반 전략이 점점 더 주목받고 있다. 하이드로젤은 높은 수화 상태와 조직을 모방한 네트워크 구조를 특징으로 하며, 세포 지지, 치료제 전달 조절, 숙주 조직과의 구조적 통합 등 다양한 용도를 제공하는 플랫폼이다. 그중에서도 Gelatin Methacryloyl(GelMA)은 고유한 생체활성, 조절 가능한 기계적 특성, 광가교 기반 화학적 특성 덕분에 세밀한 스캐폴드 제작 및 약물 방출 매트릭스 형성이 가능하다는 장점을 지닌다. Hydroxyapatite(HAp)는 자연 뼈의 주요 무기질 성분으로, 골전도성, 이온 방출 기반 생물학적 활성, 그리고 골형성 신호 조절 능력 등 상보적인 이점을 제공하지만, 단독 사용 시 취성이 높다는 한계가 있다. GelMA와 HAp을 결합하면 구조적 유연성과 무기질 기반 생물학적 신호를 동시에 갖춘 유망한 하이브리드 시스템을 구성할 수 있다.
본 연구에서는 지속적 치료제 전달과 향상된 골형성 잠재력을 갖춘 고도 생체모사 플랫폼으로서 GelMA–HAp 복합 하이드로젤을 개발하였다. 다양한 농도의 HAp을 도입하여 무기질 함량이 하이드로젤의 팽윤 거동, 네트워크 구조, 그리고 약물 방출용 스캐폴드로서의 성능에 어떤 영향을 미치는지 평가하였다. 연구 결과, HAp 도입은 팽윤비를 감소시키고 보다 안정적인 하이드로젤 구조를 유도하여 네트워크 밀도 증가와 조절 가능한 약물 방출에 적합한 특성이 확보됨을 보여주었다. 이러한 결과는 GelMA–HAp 복합체가 기계적 지지, 생물학적으로 유의미한 신호 제공, 그리고 조절 가능한 약물 방출 기능을 동시에 제공하는 유망한 생체재료군임을 강조하며, 골재생 및 표적 치료 전달 분야에서 새로운 가능성을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER 1. Introduction
• 1.1. Bone fracture and treatment 1
• 1.2. Fundamental and applications of hydrogel system 6
• 1.3. Roles of hydroxyapatite in bone healing process 8
• 1.4. Three-dimensional culture system and spheroid formation 10
• 1.5. Research objectives and working hypothesis 14
• CHAPTER 2. Experimental Section 16
• 2.1. Chemicals and reagents 17
• 2.2. Hydrogel preparation 18
• 2.3. Characterization of hydrogel 20
• 2.4. Chemical properties of hydrogel 21
• 2.5. Cell culture and spheroid formation 22
• 2.6. Spheroid encapsulation 24
• 2.7. Cell cytotoxicity assay, Live/Dead assay 26
• 2.8. Osteogenic differentiation assay 29
• CHAPTER 3. Results and Discussion 31
• 3.1. Morphological and swelling analysis of incorporated hydrogel 32
• 3.2. Mechanical properties of hydrogel 36
• 3.3. Chemical properties of hydrogel 40
• 3.4. Spheroid encapsulation 42
• 3.5. Cell cytotoxicity assay, Live/Dead assay 45
• 3.6. Osteogenic differentiation assay 54
• CHAPTER 4. Conclusion 58
• CHAPTER 5. Reference 61
• 국문초록