Blødt, men sejt:Biohybridmateriale fungerer som brusk

At producere biomaterialer, der matcher brusk og sener, har været et uhåndgribeligt mål for videnskabsmænd, men et nyt materiale skabt hos Cornell demonstrerer en lovende ny tilgang til at efterligne naturligt væv.

Resultaterne blev offentliggjort den 8. juli i Proceedings of the National Academy of Sciences , og give en ny strategi til at syntetisere kliniske løsninger til beskadiget væv.

Væv skal være blødt nok til at bøje og bøje, men holdbart nok til at modstå langvarig belastning - for eksempel den vægt, en knæ sene skal understøtte. Når væv slides eller er beskadiget, har kollagenhydrogeler og syntetiske materialer potentiale til at tjene som erstatninger, men ingen af ​​dem alene besidder den rigtige kombination af biologiske og mekaniske egenskaber af naturligt væv.

Nu har Cornell-forskere konstrueret et biohybrid kompositmateriale med de væsentlige egenskaber af et naturligt væv. Materialet består af to hovedingredienser:kollagen – som giver materialet dets blødhed og biokompatibilitet – og en syntetisk zwitterionisk hydrogel, som indeholder positivt og negativt ladede molekylære grupper.

"Disse ladningsgrupper interagerer med de negativt og positivt ladede grupper i kollagenet, og denne interaktion er det, der gør det muligt for materialerne at sprede energi og opnå høje niveauer af sejhed," sagde Lawrence Bonassar, Daljit S. og Elaine Sarkaria professor i biomedicinsk teknik. i College of Engineering og medforfatter af undersøgelsen.

Biohybridkompositten nærmer sig ydeevnen af ​​ledbrusk og andre biologiske væv, idet de besidder 40 % mere elasticitet og 11 gange frakturenergien - et mål for holdbarheden - af det zwitterioniske materiale i sig selv.

Nikolaos Bouklas, assisterende professor ved Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering og medforfatter af undersøgelsen, sagde, at materialets biokompatibilitet betyder, at det kan rekruttere celler og holde dem i live.

"I sidste ende ønsker vi at skabe noget til regenerativ medicin formål, såsom et stykke stillads, der kan modstå nogle indledende belastninger, indtil vævet fuldstændigt regenererer," sagde Bouklas. "Med dette materiale kan du 3D-printe et porøst stillads med celler, der i sidste ende kunne skabe det faktiske væv omkring stilladset."

Derudover er biohybridmaterialet selvsamlende, når de to ingredienser er blandet, sagde Bouklas og skaber "det samme indbyrdes forbundne netværk af kollagen, som ses i naturlig brusk, som ellers ville være ekstremt svær at producere."

Forskningen samlede fire forskningslaboratorier fra tre forskellige afdelinger. Kollagenet, der blev brugt i biohybridkompositten, havde allerede været under udvikling i Bonassars laboratorium, mens den zwitterioniske hydrogel blev udviklet af studiets medforfattere Robert Shepherd, lektor ved Sibley-skolen, og Emmanuel Giannelis, professor i ingeniørvidenskab ved Walter R. Read. i Institut for Materialevidenskab og Teknik.

Studiets forfattere fortsætter med at forske i materialet og de molekylære processer bag dets syntese. Bonassar sagde, at materialet er velegnet til den type bioprint, der var banebrydende i hans laboratorium, og forfatterne er begyndt at eksperimentere med at bruge det som et 3D-printmateriale. + Udforsk yderligere

Kunstig brusk under spænding lige så stærk som naturligt materiale