Fremme vævsteknologi med hydrogeler med formhukommelse

Et af de primære mål inden for vævsteknologi og regenerativ medicin er udviklingen af ​​kunstige stilladser, der kan tjene som erstatning for beskadiget væv. Disse materialer skal ideelt set ligne naturligt væv og skal have evnen til at understøtte celleadhæsion, proliferation og differentiering.

Når man overvejer stilladsmaterialer, tager forskere højde for stilladsets egenskaber, såsom dets overfladeruhed, dets vandindhold (hydreringstilstand) og dets fleksibilitet eller stivhed (elasticitetsmodul), da disse egenskaber vides at påvirke cellevækst.

Hydrogeler er biokompatible tværbundne polymerer med højt vandindhold og er et lovende stilladsmateriale til blødt væv. De kan designes med forskellige elasticiteter, som kan matche de mekaniske egenskaber af forskellige naturlige væv. Deres elasticitetsmodul er imidlertid forbundet med deres sammensætning, hvilket resulterer i en forskel i egenskaberne mellem blødere og hårdere hydrogeler.

For at studere den specifikke effekt af hydrogelens elasticitet på cellevækst har et forskerhold ledet af adjunkt Shin-nosuke Nishimura og professor Tomoyuki Koga fra Doshisha University, Japan, udviklet en hydrogel med justerbare elasticitetsmoduler ved hjælp af de samme polymerer. Resultaterne af deres undersøgelse blev offentliggjort i tidsskriftet Advanced Material Technologies .

"Hydrogelernes elasticitetsmodul er en af ​​de mest afgørende faktorer for at kontrollere cellernes skæbne," forklarer Dr. Nishimura. Hydrogeler med forskellige elasticiteter fremstilles dog sædvanligvis ved at ændre basismonomeren og tværbindingsmidlet. Dette påvirker ikke kun elasticiteten, men også forskellige egenskaber, såsom hydrofilicitet og hydrofobicitet.

For at undgå dette problem designede forskerne hydrogelen uden tværbindinger. De brugte poly(N-acryloylglycinamid) (PNAGAm) som basispolymer, en vinylpolymer med sidekæder, der danner stærke hydrogenbindinger. Disse bindinger bryder ved høje temperaturer og hæfter igen ved lavere temperaturer, hvilket giver disse polymerer den unikke evne til at huske og genvinde deres form som reaktion på temperaturændringer.

For at forbedre hydrogelens celleadhæsionsegenskaber kombinerede forskerne PNAGAm-polymeren med arginin (R)-glycin (G)-asparaginsyre (D)-serin (S)-peptid gennem radikal copolymerisation. Disse peptider repræsenterer de cellebindingssteder, der findes i kroppen og gør hydrogelen egnet til cellevækst.

I modsætning til konventionelle hydrogeler kan elasticitetsmodulet for den foreslåede hydrogel justeres ved at komprimere den til forskellige tykkelser ved høje temperaturer.

Når de udsættes for høje temperaturer, brydes hydrogenbindingerne i polymeren, og komprimering af hydrogelen under sådanne forhold bringer polymernetværket og hydrogenbaserede tværbindinger tættere på hinanden. Denne ændring i den molekylære struktur fører til en ændring af hydrogelens elasticitetsmodul.

Efter afkøling bevarer hydrogelen både sin form og elasticitetsmodul på grund af genbindingen af ​​hydrogenbindingerne.

Ved at bruge denne metode ændrede forskerne med succes elasticitetsmodulet for en rektangulær hydrogelstang. De komprimerede forskellige sektioner af hydrogelen til tykkelser på 1 mm, 0,64 mm og 0,50 mm ved 65°C i en time. Ved afkøling til en celledyrkningstemperatur på 37°C havde de ikke-pressede, moderat pressede og fast pressede områder elasticitetsmoduler på henholdsvis 9.460 Pa, 5.940 Pa og 3.460 Pa.

Ved udsåning af hydrogelen med museembryofibroblastceller (NIH/3T3) observerede forskerne en direkte sammenhæng mellem hydrogelens elasticitetsmodul og antallet af klæbende celler. I det upressede område var antallet af adhærerede celler 1,3 × 10 ⁴ celler cm ⁻² , hvorimod den i det hårdt pressede område steg til 1,9 × 10 ⁴ celler cm ⁻² .

"I denne undersøgelse er det lykkedes os at kontrollere celleadhæsionsadfærd for første gang i verden ved at udnytte hydrogelernes formhukommelsesegenskaber," siger prof. Koga.

Som konklusion, ved at ændre elasticitetsmodulet og samtidig holde andre egenskaber konsistente, skabte forskerne en platform, som kan bruges til at undersøge elasticitetsmodulets indflydelse på cellevækst. Dette kan føre til forbedrede stilladsmaterialer til vævsregenerering.

Flere oplysninger: Shin-nosuke Nishimura et al., Regulering af celleadhæsion på fysisk tværbundne hydrogeler sammensat af aminosyrebaserede polymerer ved ændring af elasticitetsmodul ved hjælp af formfiksering/hukommelsesegenskaber, avancerede materialeteknologier (2024). DOI:10.1002/admt.202301598

Journaloplysninger: Avancerede materialeteknologier

Leveret af Doshisha University