Forskere skaber metode til at binde hydrogeler og andre polymere materialer ved hjælp af chitosan

Hydrogeler er alsidige biomaterialer, der erobrer et stigende antal biomedicinske områder. Bestående af vandopsvulmede molekylære netværk, der kan skræddersyes til at efterligne de mekaniske og kemiske egenskaber af forskellige organer og væv, kan de interagere med kroppen og på dens ydre overflader uden at forårsage skade på selv de mest sarte dele af den menneskelige anatomi.

Hydrogeler bruges allerede i klinisk praksis til terapeutisk levering af lægemidler til bekæmpelse af patogener; som intraokulære linser og kontaktlinser og hornhindeproteser i oftalmologi; knoglecement, sårforbindinger, blodkoagulerende bandager og 3D-stilladser inden for vævsteknologi og regenerering.

At fastgøre hydrogelpolymerer hurtigt og stærkt til hinanden har dog været et udækket behov, da traditionelle metoder ofte resulterer i svagere vedhæftning efter længere end ønsket adhæsionstider og er afhængige af komplekse procedurer.

Opnåelse af hurtig adhæsion af polymerer kan muliggøre adskillige nye anvendelser, herunder for eksempel hydrogeler, hvis stivhed kan finjusteres, så de bedre tilpasser sig specifikke væv, on-demand indkapsling af fleksibel elektronik til medicinsk diagnostik eller oprettelse af selvklæbende vævsindpakninger til svære at bandagere dele af kroppen.

Nu har forskere ved Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering ved Harvard University og Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) skabt en enkel og alsidig metode til øjeblikkeligt og effektivt at binde lag lavet af samme eller forskellige typer af hydrogeler og andre polymere materialer ved hjælp af en tynd film af chitosan:et fibrøst, sukkerbaseret materiale, der stammer fra de forarbejdede ydre skeletter af skaldyr.

Forskerne har med succes anvendt deres nye tilgang til adskillige uløste medicinske problemer, herunder lokal beskyttende afkøling af væv, forsegling af vaskulære skader og forebyggelse af uønskede "kirurgiske adhæsioner" af indre kropsoverflader, der ikke bør klæbe til hinanden. Resultaterne er offentliggjort i Proceedings of the National Academy of Science .

"Chitosan-film med deres evner til effektivt at samle, finjustere og beskytte hydrogeler i og udenfor kroppen, åbner adskillige nye muligheder for at skabe enheder til regenerativ medicin og kirurgisk pleje," sagde seniorforfatter og Founding Wyss Institute Core Faculty-medlem David Mooney , Ph.D.

"Hastigheden, letheden og effektiviteten, hvormed de kan anvendes, gør dem til meget alsidige værktøjer og komponenter til in vivo samlingsprocesser i ofte korte tidsvinduer under operationer, og den enkle fremstilling af komplekse biomaterialestrukturer i produktionsfaciliteter," sagde Mooney som også er Robert P. Pinkas familieprofessor i bioingeniør ved SEAS.

Udvikling af en ny binding

I løbet af de seneste år har Mooneys team på Wyss Institute og SEAS udviklet "Tough Adhesives", en samling af regenerative medicintilgange, der bruger strækbare hydrogeler til at lette sårheling og vævsregenerering ved kraftigt at klæbe til våde vævsoverflader og tilpasse sig vævets mekaniske egenskaber.

"Nøjagtigt formulerede Tough Adhesives og ikke-adhæsive hydrogeler giver os og andre forskere nye muligheder for at forbedre patientbehandlingen. Men for at tage deres funktionaliteter et eller endda flere skridt videre, ønskede vi at kunne kombinere to eller flere hydrogeler i mere komplekse samlinger, og at gøre dette hurtigt, sikkert og i en enkel proces," sagde co-first forfatter og tidligere Wyss Research Associate Benjamin Freedman, Ph.D., der stod i spidsen for flere Tough Adhesive-udviklinger med Mooney.

"Eksisterende metoder til øjeblikkeligt at binde hydrogeler eller elastomerer havde slående ulemper, fordi de var afhængige af giftige lime, den kemiske funktionalisering af deres overflader eller andre komplekse procedurer."

Gennem en biomaterialescreeningstilgang identificerede holdet brofilm, der var fuldstændig lavet af chitosan. Chitosan er en sukkerholdig polymer, der let kan fremstilles af chitinskaller fra skaldyr og har allerede fundet vej til vidtgående kommercielle anvendelser. For eksempel bruges det i øjeblikket til at behandle frø og som et biopesticid i landbruget, for at forhindre fordærv i vinfremstilling, i selvhelbredende malingsbelægninger og i medicinsk sårbehandling.

Holdet fandt ud af, at chitosanfilm opnåede hurtig og stærk binding af hydrogeler gennem kemiske og fysiske interaktioner, der er forskellige fra dem, der er involveret i traditionelle hydrogelbindingsmetoder.

I stedet for at skabe nye kemiske bindinger baseret på deling af elektroner mellem individuelle atomer (kovalente bindinger), induceret af et lille skift i pH, absorberer chitosans sukkerstrenge hurtigt vand mellem hydrogellagene og vikler sig ind i polymerstandene af hydrogeler og danner flere bindinger via elektrostatiske interaktioner og hydrogenbinding (ikke-kovalente bindinger).

Dette resulterer i adhæsive kræfter mellem hydrogeler, der væsentligt overstiger dem, der skabes gennem traditionelle hydrogelbindingsmetoder.

Første applikationer

For at demonstrere bredden af ​​potentialet i deres nye metode fokuserede forskerne på vidt forskellige medicinske udfordringer. De viste, at Tough Adhesives modificeret med chitosanfilm nu nemt kunne vikles rundt om cylindriske former som en skadet finger som selvklæbende bandager for at give forbedret sårpleje. På grund af det høje vandindhold i chitosan-bundne hydrogeler tillod deres anvendelse også lokal afkøling af underliggende menneskehud, hvilket i fremtiden kan føre til alternative forbrændingsbehandlinger.

Forskerne pakkede også hydrogeler (hårde geler), hvis overflader blev modificeret med tynde chitosanfilm sømløst omkring tarm, sener og perifert nervevæv uden at binde til selve vævene.

"Denne tilgang giver mulighed for effektivt at isolere væv fra hinanden under operationer, som ellers kan danne 'fibrotiske adhæsioner' med nogle gange ødelæggende konsekvenser. Deres forebyggelse er et udækket klinisk behov, som kommercielle teknologier ikke kan imødekomme tilstrækkeligt endnu," forklarede Freedman.

I en anden applikation påførte de en tynd chitosanfilm på en sej gel, der allerede var anbragt på en skadet griseaorta ex vivo som en sårforsegling for at øge den samlede styrke af bandagen, som var udsat for de cykliske mekaniske kræfter af blod, der pulserer igennem. fartøjet.

"De mange muligheder, der dukker op fra denne undersøgelse af Dave Mooneys gruppe, tilføjer en ny dimension til konstruktionen af ​​biomedicinske hydrogelanordninger, hvilket kan føre til elegante løsninger på presserende uopfyldte problemer inden for regenerativ og kirurgisk medicin, som mange patienter kan drage fordel af," sagde Wyss Founding Direktør Donald Ingber, M.D., Ph.D., som også er Judah Folkman-professor i vaskulær biologi ved Harvard Medical School og Boston Children's Hospital, og Hansjörg Wyss professor i bioinspireret teknik ved SEAS.

Yderligere forfattere på undersøgelsen er co-first forfatter Juan Cintron Cruz, Mathew Lee og James Weaver på Wyss Institute og SEAS; Phoebe Kwon, Haley Jeffers og Daniel Kent hos SEAS; og Kyle Wu på Beth Israel Deaconess Medical Center i Boston.

Flere oplysninger: Øjeblikkelig hård adhæsion af polymernetværk, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2304643121. doi.org/10.1073/pnas.2304643121

Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences

Leveret af Harvard University