Molekylær lokkemad kan hjælpe hydrogeler med at hele sår

Ligesom fiskere, Rice University bioingeniører lystfisker efter deres daglige fangst. Men deres lokkemad, biomolekyler i et hydrogel stillads, lokker mikroskopiske stamceller i stedet for fisk.

Disse, de siger, vil så væksten af ​​nyt væv for at hele sår.

Holdet ledet af Brown School of Engineering bioingeniør Antonios Mikos og kandidatstuderende Jason Guo har udviklet modulære, injicerbare hydrogeler forstærket af bioaktive molekyler forankret i de kemiske tværbindere, der giver gelerne struktur.

Hydrogeler til heling har indtil nu været biologisk inerte og kræver, at vækstfaktorer og andre biokompatible molekyler tilsættes blandingen. Den nye proces gør disse essentielle molekyler til en del af selve hydrogelen, specifikt de tværbindere, der gør det muligt for materialet at beholde sin struktur, når det hæves med vand.

Deres arbejde, rapporteret i Videnskabens fremskridt , er beregnet til at hjælpe med at reparere knogler, brusk og andet væv i stand til at regenerere sig selv.

Bedst af alt, rislaboratoriet er tilpasset, aktive hydrogeler kan blandes ved stuetemperatur til øjeblikkelig påføring, sagde Mikos.

"Dette er vigtigt ikke kun for at lette forberedelsen og syntesen, men også fordi disse molekyler kan miste deres biologiske aktivitet, når de opvarmes, " sagde han. "Dette er det største problem med udviklingen af ​​biomaterialer, der er afhængige af høje temperaturer eller brugen af ​​organiske opløsningsmidler."

Eksperimenter med brusk- og knoglebiomolekyler viste, hvordan tværbindere lavet af en opløselig polymer kan binde små peptider eller store molekyler, som vævsspecifikke ekstracellulære matrixkomponenter, simpelthen ved at blande dem sammen i vand med en katalysator. Efterhånden som den injicerede gel svulmer op for at fylde det mellemrum, der efterlades af en vævsdefekt, de indlejrede molekyler kan interagere med kroppens mesenkymale stamceller, trække dem ind for at så ny vækst. Da naturligt væv befolker området, hydrogelen kan nedbrydes og til sidst forsvinde.

"Med vores tidligere hydrogeler, vi skulle typisk have et sekundært system til at levere biomolekylerne for effektivt at producere vævsreparation, " sagde Guo. "I dette tilfælde, vores store fordel er, at vi direkte inkorporerer disse biomolekyler for det specifikke væv lige ind i selve tværbinderen. Så når vi injicerer hydrogelen, biomolekylerne er lige hvor de skal være."

For at få reaktionen til at fungere, forskerne var afhængige af en variant af klikkemi, som letter samlingen af ​​molekylære moduler. Klikkemikatalysatorer virker normalt ikke i vand. Men med hjælpsom vejledning fra Rice kemiker og medforfatter Paul Engel, de slog sig ned på en biokompatibel og opløselig ruthenium-baseret katalysator.

"Der er en specifik ruthenium-baseret katalysator, vi kan bruge, " sagde Guo. "Andre er ofte cytotoksiske, eller de er inaktive under vandige forhold, eller de virker måske ikke med den specifikke slags alkyn på polymeren.

"Denne særlige katalysator virker under alle disse forhold - nemlig, tilstande, der er meget milde, vandige og gunstige for biomolekyler, " sagde han. "Men det var ikke blevet brugt til biomolekyler endnu."