Voor de eerste keer ooit is er een familie van hydrogels gecreëerd, met unieke eigenschappen waardoor ze kunnen worden gebruikt in biologische toepassingen. Het werk, onlangs gepubliceerd in Polymer, zou de introductie kunnen inluiden van een nieuwe klasse van bio-inkten of vehikels voor medicijnafgifte.

Hydrogels zijn netwerken van verknoopte macromoleculaire ketens die een zeer poreuze structuur hebben waardoor ze kunnen opzwellen met water. Het zijn zachte structuren met vaak complexe visco-elastische eigenschappen die kunnen worden verfijnd door hun chemische componenten en hun verknopingsdichtheid aan te passen. Op deze manier, ze kunnen worden aangepast om veranderingen in hun omgeving waar te nemen en zich aan te passen, zoals temperatuur, pH, druk, licht, of zelfs de aanwezigheid van andere chemicaliën.

Een bekende familie van hydrogels op basis van poly(ethyleenoxide) (PEO)-copolymeren werd gecombineerd met een mechanisch robuust polymeer dat bekend staat als Nafion. De eigenschappen van de nieuwe polymeercomplexen werden onthuld door een groot aantal technieken, inclusief Small Angle X-ray Scattering (SAXS) bij de Small Angle Scattering en Diffraction beamline (I22) bij Diamond Light Source. De toevoeging van Nafion bleek de mechanische eigenschappen van de hydrogels drastisch te verbeteren, waardoor ze een veelbelovende kandidaat zijn voor een verscheidenheid aan toepassingen, zoals systemen voor het vrijgeven van geneesmiddelen en 3D-bioprinting.

Injecteerbare hydrogels

Een van de meest fascinerende toepassingen van hydrogels is op het gebied van medicijnafgifte. Hydrogels kunnen ingenieus worden afgesteld om hun fase te veranderen van een injecteerbare vloeistof in een gel in het lichaam, die geleidelijk oplost om langzaam een ​​ingesloten medicijn vrij te geven. De voordelen hiervan zijn verstrekkend voor zowel patiënten als zorgverleners. Typisch, injecteerbare hydrogels zijn gebaseerd op PEO-copolymeren omdat ze goed gekarakteriseerd zijn en een gedefinieerde faseovergang naar een gel bij lichaamstemperatuur hebben. Echter, deze hydrogels hebben zwakke mechanische eigenschappen en geven snel medicijnen af.

Om de tekortkomingen van de huidige golf van injectables aan te pakken, een team van wetenschappers van de University of Central Lancashire, combineerde ze met een mechanisch stabiel polymeer dat bekend staat als Nafion. Dit polymeer werd eind jaren zestig ontdekt en heeft een unieke reeks eigenschappen die hebben geleid tot het gebruik ervan als protonenuitwisselingsmembraan voor brandstofcellen. Aangezien de biocompatibele en niet-toxische aard ervan onlangs is onthuld, Nafion is ook gebruikt voor biomedische toepassingen zoals implantaatcoatings en biosensoren.

Mengsels van Nafion

Het team bereidde mengsels van Nafion met twee verschillende copolymeren:E ₁₉ P ₆₉ E ₁₉ en B ₂₀ E ₅₁₀ (waar E OCH . was ₂ CH ₂ , P was OCH ₂ CH(CH ₃ ) en B was OCH ₂ CH(C ₂ H ₅ )). Nafion bond in hoge mate aan de twee copolymeren, zoals blijkt uit een verscheidenheid aan technieken. Evenals kwartskristalmicrobalans met dissipatiebewaking (QCM-D), de hybride hydrogels werden onderworpen aan dynamische lichtverstrooiing, reologie, en SAXS. Dokter Antonios Kelarakis, senior onderzoeker aan de University of Central Lancashire, en hoofdonderzoeker van de studie legden hun aanpak uit:"We wilden de injecteerbaarheid van de polymeren niet in gevaar brengen door de toevoeging van Nafion, Dus toen we eenmaal wisten dat de hybride hydrogels de sterke mechanische eigenschappen hadden die we nodig hadden, we gebruikten SAXS om hun structuur te verkennen."

op I22, de hydrogelmengsels werden tussen micavensters gemonteerd in een vloeistofcel die was uitgerust met een waterbad voor temperatuurregeling. Tweedimensionale SAXS-patronen werden verzameld met behulp van een Pilatus P3-2M-gebiedsdetector en alle patronen werden gecorrigeerd voor de fluctuaties in de invallende bundel en voor lucht- en instrumentverstrooiing voorafgaand aan conversie naar eendimensionale profielen.

Verbeterde eigenschappen

De toevoeging van Nafion bleek de visco-elasticiteit van de bestaande copolymeren te verbeteren, waardoor hun mechanische sterkte wordt verbeterd. Bovendien, de mengsels ondergingen ook scherpe en thermisch omkeerbare sol-gel-overgangen onder lichaamstemperatuur, wat aangeeft dat ze hun injecteerbare vermogen behouden. De systemen werden ook getest op hun vermogen om ibuprofen af ​​te geven, en Nafion bleek de afgifte van het medicijn drastisch te verminderen; een effect waarvan wordt aangenomen dat het wordt veroorzaakt door een lagere porositeit of sterkere interacties tussen matrix en geneesmiddel. Dr. Kelarakis ging dieper in op deze ontdekkingen, "Naast een vehikel voor medicijnen, dit polymeercomplex kan worden gebruikt als bio-inkt voor 3D-printen, omdat het gemakkelijk van een vloeistof naar een gel kan worden omgezet. Er zijn momenteel weinig materialen beschikbaar voor deze techniek, maar we hebben laten zien dat we een veelbelovend materiaal kunnen maken dat veel stress kan weerstaan."

De volgende stap voor dit fascinerende onderzoek is een volledig onderzoek naar de evolutie van het hydrogelcomplex tijdens stress, die in situ zal worden bereikt met behulp van een reometer op I22. Het team wil de effecten van Nafion op andere polymeren onderzoeken en is ook van plan nanodeeltjes in de hydrogels te introduceren, zodat ze kunnen worden gebruikt voor bio-imaging. De hoop is dat beeldvormende moleculen langzaam aan het lichaam kunnen worden afgegeven in de buurt van de betreffende plaats (zoals een wond) om geselecteerde fysiologische componenten te verlichten.