Molekylær konstruktion metalkoordinationsinteraktioner for stærke, hård, hurtigt genoprette hydrogeler

Bærebærende væv såsom muskler og brusk viser typisk høj elasticitet, sejhed og hurtig genopretningshastighed. Imidlertid, at kombinere sådanne mekaniske egenskaber i laboratoriet for at bygge syntetiske biomaterialer er fundamentalt udfordrende. I en ny undersøgelse, der nu er offentliggjort på Videnskabens fremskridt , Wenxu Sun og et forskerhold i fysik, ingeniørmekanik og smarte enheder i Kina, udviklet en stærk, sej og hurtig restituerende hydrogel. Holdet konstruerede materialet ved hjælp af tværbindere med samvirkende dynamiske interaktioner. De designede et histidinrigt decapeptid (10 aminosyrekæde) indeholdende to tandem (konsekutive) zink (Zn) bindende motiver for at lette termodynamisk stabilitet, stærkere bindingsstyrke og hurtigere bindingshastighed af konstruktionen, sammenlignet med enkeltbindende proteinmotiver eller isolerede ligandproteiner. De konstruerede hybridnetværkshydrogeler med peptidzinkkomplekset udviste høj stabilitet, sejhed og hurtig restitution på få sekunder. Forskerholdet forventer, at stilladserne effektivt kan håndtere bærende vævstekniske applikationer og fungere som byggesten til blød robotteknologi. De nye resultater giver en generel vej til at tune mekaniske og dynamiske egenskaber af hydrogeler på molekylært niveau.

Når vi går, vores muskler, brusk og sener udsættes for betydelige mekaniske belastninger, men biologiske væv kan komme sig hurtigt for at fungere pålideligt i mange mekaniske cyklusser. Bioingeniører har udforsket bløde hydrogeler med muskellignende mekaniske egenskaber som biomekaniske aktuatorer, syntetisk brusk, kunstige muskler, ionisk hud og i blød robotteknologi. De har viet mange bestræbelser på at forbedre den mekaniske styrke og sejhed af hydrogeler ved at indføre specielle energiafledningsmekanismer. Hurtig restitution er også en unik egenskab for bærende blødt væv, bortset fra mekanisk styrke og sejhed, men syntetiske hydrogeler mangler stadig en mekanisme til hurtig genopretning. For eksempel, traditionelle dobbeltnetværk (DN) eller hybridnetværk (HN) hydrogeler med korte polymerkæder som offernetværk kan typisk ikke komme sig hurtigt - ofte tager det fra minutter til dage.

Styrken af ​​en hydrogel afhænger af levetiden af ​​dens tværbindere, hvor langsom binding/afbindingskinetik fører til stærke hydrogeler, mens hurtige valutakurser giver bløde. For at opnå høj styrke og sejhed skal tværbinderne være langsomme, men for at opnå hurtig bedring, tværbinderne skal være dynamiske med høje frekvenser af association og dissociation. For at overvinde denne modsigelse, naturligt forekommende bærende materialer har brugt kooperativitet af svage interaktioner. I dette arbejde, Sun et al. tilsvarende manipulerede hybridnetværk (HN) hydrogeler med et specifikt designet peptid-metal kompleks som den fysiske tværbinder. Holdet dannede effektive metalbindingssteder i en peptidsekvens for at konstruere hydrogeler med de nødvendige egenskaber.

Holdet designet først tre korte histidinrige peptider (HR-peptider) som ligander til at binde med zinkioner (Zn) ²⁺ og konstruer HN-hydrogeler. De betegnede peptidsekvenserne som PH ₁ , PH ₃ og PH ₆ baseret på antallet af forbundne histidiner. Sun et al. syntetiserede peptiderne ved hjælp af fastfase peptidsyntese og oprensede det med højtydende væskekromatografi. De observerede dannelsen af ​​Zn ²⁺ histidin koordinationskomplekser ved hjælp af ultraviolet (UV) og Raman spektroskopi. Den specifikt designede peptidsekvens tillod synergistisk og samarbejdsvillig Zn ²⁺ bindende affinitet, sammenlignet med peptider med tilfældige histidinrester på deres sekvenser. Forskerne studerede den molekylære mekanisme for kooperativ zinkionbinding til PH ₆ ved hjælp af cirkulær dikroisme, resultaterne tyder på konforme ændringer af det første koordinationssted for PH ₆ at være kritisk for kooperativ binding og viste, hvordan strukturelle ændringer favoriserede yderligere Zn ²⁺ bindende.

Sun et al. brugte avancerede teknikker såsom atomkraftmikroskopi (AFM)-baseret enkelt-molekyle kraftspektroskopi (SMF'er) til at måle den mekaniske stabilitet af HR-peptid-Zn ²⁺ komplekser, dvs. tværbindere af hydrogelen på molekylært niveau. De gennemsnitlige brudkræfter var meget højere for PH ₆ sammenlignet med andre typer hydrogeler, bekræfter hydrogelens sejhed. The results showed that the mechanical stability of the metal-ligand complexes could be improved considerably based on the binding sites.

The team explored if changes to the intrinsic properties of crosslinkers could alter macroscopic mechanical properties of the hydrogel by preparing a series of hybrid network (HN) hydrogels. They used HR-peptide-Zn ²⁺ as sacrificial crosslinkers and covalent bonds as permanent crosslinkers in the constructs and named the resulting hydrogels as HN-PH ₁ , HN-PH ₃ , and HN-PH ₆ , based on the peptide sequence used. The network structures were similar in all three hydrogels but the HN-PH ₆ gel was more compressible compared to the others, while functioning effectively under stressful mechanical environments. Interessant nok, the scientists could even twist the HN-PH ₆ hydrogel into a spiral shape and compress the material with a sharp blade without causing it permanent damage.

The team conducted tensile mechanical tests on the gels and correlated the results on the bulk level with those at the molecular level, to show remarkably higher break strain, Young's modulus and toughness for the HN-PH ₆ gels. Sun et al. then examined the recovery property of the material based on loading-unloading cycles and found HN-PH ₆ gels to almost totally recover its macroscopic mechanical properties in minutes. Imidlertid, if they cut up the HN-PH ₆ gels into pieces, the hydrogel could not self-heal since covalent crosslinkers do not reform after fracture. To understand the experimental outcomes, the research team also conducted theoretical analyses and proposed cooperative zinc binding on PH ₆ to be an important factor, among other factors to form strong and tough hydrogels with fast recovery rates.

På denne måde Wenxu Sun and colleagues developed a novel hydrogel material, bioinspired by histidine residues found in natural load-bearing materials. Combining such outstanding mechanical properties in the lab has remained a challenge due to the inability to effectively harness the unique metal ion binding properties that are encoded in natural proteins. In this work, Sun et al. used bioinspired Zn ²⁺ -binding peptide as crosslinkers to form the desired hydrogels at the molecular level, highlighting the importance of cooperative metal coordination during materials synthesis. They intend to examine additional mechanical features, such as adhesion to other tissues, before conducting practical applications in tissue engineering.

© 2020 Science X Network