Havmuslinger er en model til forbedring af styrke, strækbarhed og vedhæftning i hydrogeler til sårheling

Hydrogeler er overalt. De er vandelskende polymerer, der kan absorbere og tilbageholde vand, og kan findes i sådanne dagligdags forbrugerprodukter som bløde kontaktlinser, engangsbleer, visse fødevarer, og endda i landbrugsapplikationer. De er også ekstremt nyttige i flere medicinske anvendelser på grund af deres høje grad af biokompatibilitet og deres evne til med tiden at nedbrydes og blive reabsorberet i kroppen.

Disse kvaliteter gør det muligt for hydrogeler at simulere levende væv til vævserstatning eller regenerering. En af de mest nyttige af disse applikationer er til heling af sår. Hydrogeler er ideelle til dette formål, med deres evne til at hydrere og danne et fugtigt og støttende miljø. Dette letter processer, der er gavnlige for sårheling, såsom dannelse af blodkar, nedbrydning af dødt væv, aktivering af immunceller, forebyggelse af levende celle- og vævsdød og endda lindring af smerte.

Naturlige hydrogeler, især gelatine methacryloyl (GelMA) hydrogeler, er favoriseret til sårheling på grund af deres biosikkerhed og exceptionelle biokompatibilitet. Men deres brug hæmmes af deres iboende dårlige mekaniske egenskaber såsom begrænset strækbarhed, relativ skørhed og ufleksibilitet, og deres manglende evne til at klæbe til på vævsoverflader. For at forbedre disse egenskaber, variationer af fremstillingsmetoder og komponenter er blevet forsøgt.

Når en GelMA hydrogel fremstilles, en opløsning af gelatine fremstilles ved at blande og opløse gelatine i vand. Dette resulterer i en dispersion af gelatinepolymerkæder i vandet. Et kemikalie kaldet en foto-initiator tilsættes derefter til opløsningen, hvilket gør polymerkæderne klæbrige og tillader dem at klæbe til hinanden. Eksponering for UV-lys aktiverer fotoinitiatorerne, og polymerkæderne tværbinder til hinanden for at danne et netværk. Vandmolekyler kommer ind i dette netværk, strække kæderne og blive låst i dem; dette illustrerer hydrogelernes absorptionsevne og er det punkt, hvor gelering, eller størkning, opstår.

Egenskaberne af denne gel kan modificeres ved at tilføje kemikalier, der binder til polymerkæderne før UV-eksponering, eller selve UV-parametrene kan varieres for at justere gelens egenskaber. Nogle af disse modifikationer er blevet eksperimenteret med i tidligere forsøg på at forbedre GelMAs fysiske egenskaber.

En tilgang var at indføre yderligere kemikalier i GelMA-opløsningen før tværbinding; den resulterende kemisk konjugerede hydrogel viste en lille forbedring i vævsadhæsion. Der er gjort andre forsøg på at styrke GelMA ved at forstærke fleksible tynde kemisk konjugerede GelMA-film med yderligere kemikalier. Men der er stadig udfordringer med at forbedre de tre mekaniske egenskaber ved sejhed, strækbarhed, og klæbestyrke samtidigt i GelMA hydrogeler.

Et samarbejdende team fra Terasaki Institute for Biomedical Innovation (TIBI) har udviklet metoder til at forbedre alle disse tre egenskaber i GelMA hydrogeler i en simpel procedure med justerbare fremstillingsparametre.

Forskerne henvendte sig først til et eksempel fundet i naturen i deres tilgang til at forbedre adhæsionen i hydrogelerne. Havmuslinger udskiller stærke tråde, der bruges som fæste og træktove på sten og andre uregelmæssige overflader. For at danne disse tråde, muslingerne producerer adhæsionsproteiner i et surt miljø; ved eksponering for det let alkaliske havvand, proteinerne gennemgår en kemisk forandring, som ansporer til tråddannelse.

På en tilsvarende måde, TIBI-teamet tilføjede store mængder dopamin, en kemisk analog til muslingeadhæsionsprotein, til GelMA for at øge sin styrke, strækbarhed, og klæbeegenskaber. De udsatte også blandingen for alkaliske forhold for yderligere at øge GelMA's klæbestyrke.

Resultaterne viste, at tilsætning af store mængder dopamin til GelMA-opløsningen kunne øge strækbarheden af ​​den resulterende hydrogel med næsten seks gange og dens styrke med mere end tre gange. Andre eksperimenter viste, at når dopaminen udsættes for alkaliske betingelser før tværbindingstrinnet, klæbestyrken kunne øges op til fire gange og dens modstand mod forskydningskræfter med næsten syv gange.

"De eksperimenter, vi har udført, giver værdifuld indsigt i procedurer til aktivering af sejhed og vedhæftning i GelMA-baserede hydrogeler, " sagde Hossein Montazarian, Ph.D., første forfatter til projektet.

Forskerne vil fortsætte med at eksperimentere med andre kemikalier for at optimere deres effekt på GelMAs mekaniske egenskaber. Dette kan føre til forbedringer i yderligere applikationer som f.eks. hudfastgørbare enheder eller helende og regenerative interne implantater.

"Den viden, der er opnået her om hydrogelernes grundlæggende mekaniske egenskaber, kan have vidtrækkende virkninger på biomedicinske anvendelser, " sagde Ali Khademhosseini, Ph.D., TIBIs direktør og administrerende direktør. "Det er et af mange eksempler på effektfuld forskning fra vores biomaterialeplatform."