Nye biokompatible hybridhydrogeler med imponerende mekaniske egenskaber

For første gang er der skabt en familie af hydrogeler, med unikke egenskaber, der gør det muligt at bruge dem i biologiske applikationer. Arbejdet, for nylig udgivet i Polymer, kunne indvarsle introduktionen af ​​en ny klasse af bioblæk eller køretøjer til levering af lægemidler.

Hydrogeler er netværk af tværbundne makromolekylære kæder, der har en meget porøs struktur, der gør dem i stand til at blive hævede af vand. De er bløde strukturer med ofte komplekse viskoelastiske egenskaber, der kan finjusteres ved at tilpasse deres kemiske komponenter og deres tværbindingstæthed. På denne måde, de kan tilpasses til at fornemme og tilpasse sig ændringer i deres miljø, såsom temperatur, pH, tryk, lys, eller endda tilstedeværelsen af ​​andre kemikalier.

En velkendt familie af hydrogeler baseret på poly (ethylenoxid) (PEO) copolymerer blev kombineret med en mekanisk robust polymer kendt som Nafion. Egenskaberne for de nye polymerkomplekser blev afsløret ved et væld af teknikker, herunder Small Angle X-ray Scattering (SAXS) ved Small Angle Scattering and Diffraction beamline (I22) ved Diamond Light Source. Tilsætningen af ​​Nafion viste sig at dramatisk forbedre hydrogelernes mekaniske egenskaber, hvilket gør dem til en lovende kandidat til en række forskellige applikationer, såsom lægemiddelfrigivelsessystemer og 3D-bioprinting.

Injicerbare hydrogeler

En af de mest fascinerende anvendelser af hydrogeler er inden for medicinfrigivelse. Hydrogeler kan genialt indstilles til at ændre deres fase fra en injicerbar væske til en gel i kroppen, som gradvist opløses for langsomt at frigive et indesluttet lægemiddel. Fordelene ved dette er vidtgående for både patienter og sundhedspersonale. Typisk, injicerbare hydrogeler er baseret på PEO -copolymerer, da de er velkarakteriserede og har en defineret faseovergang til en gel ved kropstemperatur. Imidlertid, disse hydrogeler har svage mekaniske egenskaber og frigiver hurtigt lægemidler.

For at afhjælpe manglerne ved den aktuelle bølge af injicerbare stoffer, et team af forskere fra University of Central Lancashire, kombineret dem med en mekanisk stabil polymer kendt som Nafion. Denne polymer blev opdaget i slutningen af ​​1960'erne og har en unik række egenskaber, der har ført til dens anvendelse som protonudvekslingsmembran for brændselsceller. Da dets biokompatible og ikke -toksiske natur for nylig er blevet afsløret, Nafion er også blevet brugt til biomedicinske applikationer såsom implantatcoating og biosensorer.

Blandinger af Nafion

Teamet fremstillede blandinger af Nafion med to forskellige copolymerer:E ₁₉ P ₆₉ E ₁₉ og B. ₂₀ E ₅₁₀ (hvor E var OCH ₂ CH ₂ , P var OCH ₂ CH (CH ₃ ) og B var OCH ₂ CH (C ₂ H ₅ ))). Nafion bandt i vid udstrækning til de to copolymerer som vist ved en række forskellige teknikker. Samt kvarts krystal mikrobalance med dissipationsovervågning (QCM-D), hybridhydrogelerne blev udsat for dynamisk lysspredning, reologi, og SAXS. Dr. Antonios Kelarakis, seniorforsker ved University of Central Lancashire, og hovedforsker af undersøgelsen forklarede deres tilgang:"Vi ville ikke gå på kompromis med polymerernes injicerbarhed med tilsætning af Nafion, så når vi vidste, at hybridhydrogelerne havde de stærke mekaniske egenskaber, vi havde brug for, vi brugte SAXS til at udforske deres struktur. "

Ved I22, hydrogelblandingerne blev monteret mellem glimmervinduer i en flydende celle udstyret med et vandbad til temperaturregulering. To-dimensionelle SAXS-mønstre blev indsamlet ved hjælp af en Pilatus P3-2M områdedetektor, og alle mønstre blev korrigeret for de indfaldende strålesvingninger samt luft- og instrumentspredning før konvertering til endimensionelle profiler.

Forbedrede ejendomme

Tilsætningen af ​​Nafion viste sig at øge viskoelasticiteten af ​​de eksisterende copolymerer, derved forbedre deres mekaniske styrke. I øvrigt, blandingerne gennemgik også skarpe og termisk reversible sol-gel-overgange under kropstemperatur, hvilket angiver, at de bevarede deres injicerbare evne. Systemerne blev også testet for deres evne til at frigive ibuprofen, og Nafion viste sig at reducere frigivelsen af ​​lægemidlet drastisk; en effekt, der menes at blive givet af en lavere porøsitet eller stærkere matrix-lægemiddelinteraktioner. Dr Kelarakis uddybede disse opdagelser, "Samt et køretøj til medicin, dette polymerkompleks kunne bruges som bio-blæk til 3D-print, da det let konverterer fra en væske til en gel. Der er i øjeblikket få materialer til rådighed til denne teknik, men vi har vist, at vi kan lave et lovende materiale, der kan modstå meget stress. "

Det næste trin for denne fascinerende forskning er en fuldstændig undersøgelse af hydrogelkompleksets udvikling under stress, som vil blive udført in situ ved hjælp af et rheometer på I22. Teamet sigter mod at undersøge virkningerne af Nafion på andre polymerer og har også til hensigt at introducere nanopartikler til hydrogelerne, så de kunne bruges til bioimaging. Håbet er, at billeddannelsesmolekyler langsomt kan frigives til kroppen tæt på stedet af interesse (f.eks. Et sår) for at belyse udvalgte fysiologiske komponenter.