Metalion-gennembrud fører til nye biomaterialer

Metaller som jern og calcium spiller en afgørende rolle i den menneskelige krop, så det er ingen overraskelse, at bioingeniører gerne vil integrere dem i det bløde, strækbare materialer, der bruges til at reparere hud, blodårer, lunger og andet væv.

Design af elastomerer - en type polymer med gummilignende egenskaber - er en besværlig proces, der giver et produkt med begrænset alsidighed. Men Cornell-ingeniører har udviklet en ny ramme, der gør elastomerdesign til en modulær proces, gør det muligt at blande og matche forskellige metaller med en enkelt polymer.

Rammen er detaljeret beskrevet i "Chelation Crosslinking of Biodegradable Elastomers, " offentliggjort 22. september i Avancerede materialer .

Rammerne blev udtænkt, da forskere fra Cornells Biofoundry Lab forsøgte at skabe et elastisk vaskulært transplantat, der kunne hjælpe med at reparere hjertevæv ved hjælp af kobber. Yadong Wang, McAdam Family Foundation professor i hjerteassistentteknologi ved Meinig School of Biomedical Engineering, og postdoc-medarbejder Ying Chen ønskede at inkorporere kobber i deres transplantat på grund af dets rolle i at inducere angiogenese - den proces, hvorved nye blodkar vokser fra eksisterende.

Blanding af kobber og andre metalioner med polymerer er forblevet et nicheområde inden for kemi, så der var ingen blueprint for Chen at følge. I stedet, hun satte sig for at konstruere en biokompatibel og bionedbrydelig elastomer fra bunden.

Chens vigtigste gennembrud var at tværbinde hendes polymer med kobberioner ved hjælp af chelaterende ligander - molekyler, der binder en metalion tæt ved hjælp af to eller flere bindinger, "som hvordan en krabbeklo klemmer en genstand, " sagde Wang. Mens chelationsbindinger anses for at være af moderat styrke i kemi, elastomerer har mange tværbindende molekyler, så et væld af chelaterende ligander kan arbejde sammen for at danne et stærkt molekyle.

Og fordi en ligand kan binde flere metalioner, det kan give en lang række mekaniske egenskaber - såsom stivhed og sejhed - såvel som biomedicinske egenskaber. For eksempel, en polymers kobberioner kunne erstattes med zink, eller en kombination af kobber og zink kunne bruges - en tandem, der er til stede i et vigtigt enzym til bekæmpelse af menneskelig aldring.

"Opdagelsen var ret spændende, "Sagde Chen." Jeg ville bare fortsætte med min kobberelastomer, fordi jeg fokuserer på vævsteknik, men professor Wang sagde, 'Sænk farten, vi er nødt til at teste, hvor stærk denne platform er, og hvad vi kan gøre med den."

Som proof of concept, Chen konstruerede seks unikke elastomerer ved hjælp af en polymer og seks forskellige metaller, og lavede derefter en syvende elastomer under anvendelse af en calcium-magnesiumblanding. Det var første gang nogen havde demonstreret en biologisk nedbrydelig metalion-elastomer - endsige syv af dem.

"Da Ying viste mig, hvad hun havde gjort, Jeg sagde, 'Dette materiale er fantastisk, "" Sagde Wang. "Der er så meget, du kan gøre med bare dette enkle design. Brug af mange forskellige typer metalioner, en polymer kan blive til otte, ni, 10 forskellige elastomerer."

Forskerholdet udførte også mekaniske og biokompatibilitetseksperimenter på deres elastomerer, test for materialernes stress, belastning og evne til at blive brugt med levende væv. Elastomerernes holdbarhed og biokompatibilitet matchede mere traditionelle biomaterialer, der anvendes i medicin.

"Kobbermaterialet var meget elastisk, " sagde Chen. "Den kan strækkes mindst hundredvis af gange uden at briste."

Nu hvor platformen er offentliggjort, Chen fokuserer sin forskning på kobberelastomertransplantatet og dets evne til at reparere blodkar og hjertevæv. I mellemtiden, hun håber, at andre ingeniører vil bruge hendes platform til at skabe nye materialer til at forbedre genopbygning og regenerering af blødt væv.

Wang deler det samme håb, og nævnte mulige anvendelser for rammeværket er ikke begrænset til blodkar og andet væv, men kunne potentielt bruges til industrielle elastomerer såsom miljøvenlige dæk, der nedbrydes biologisk.

"Vi ridser bare i overfladen, " han sagde.