Zoals vissers, De bio-ingenieurs van Rice University vissen op hun dagelijkse vangst. Maar hun aas, biomoleculen in een hydrogelsteiger, lokt microscopisch kleine stamcellen in plaats van vissen.

Deze, ze zeggen, zal de groei van nieuw weefsel zaaien om wonden te genezen.

Het team onder leiding van Brown School of Engineering bio-ingenieur Antonios Mikos en afgestudeerde student Jason Guo hebben modulaire, injecteerbare hydrogels versterkt door bioactieve moleculen verankerd in de chemische crosslinkers die de gels structuur geven.

Hydrogels voor genezing waren tot nu toe biologisch inert en vereisen dat groeifactoren en andere biocompatibele moleculen aan de mix worden toegevoegd. Het nieuwe proces maakt deze essentiële moleculen onderdeel van de hydrogel zelf, in het bijzonder de crosslinkers die ervoor zorgen dat het materiaal zijn structuur behoudt wanneer het gezwollen is met water.

Hun werk, gemeld in wetenschappelijke vooruitgang , is bedoeld om bot te helpen herstellen, kraakbeen en andere weefsels die zichzelf kunnen regenereren.

Beste van alles, het Rice lab is aangepast, actieve hydrogels kunnen bij kamertemperatuur worden gemengd voor onmiddellijke toepassing, zei Mikos.

"Dit is niet alleen belangrijk voor het gemak van bereiding en synthese, maar ook omdat deze moleculen hun biologische activiteit kunnen verliezen als ze worden verwarmd, " zei hij. "Dit is het grootste probleem met de ontwikkeling van biomaterialen die afhankelijk zijn van hoge temperaturen of het gebruik van organische oplosmiddelen."

Experimenten met kraakbeen- en botbiomoleculen toonden aan hoe crosslinkers gemaakt van een oplosbaar polymeer kleine peptiden of grote moleculen kunnen binden, zoals weefselspecifieke extracellulaire matrixcomponenten, gewoon door ze samen te mengen in water met een katalysator. Terwijl de geïnjecteerde gel opzwelt om de ruimte te vullen die is achtergelaten door een weefseldefect, de ingebedde moleculen kunnen interageren met de mesenchymale stamcellen van het lichaam, ze naar binnen trekken om nieuwe groei te zaaien. Terwijl inheems weefsel het gebied bevolkt, de hydrogel kan afbreken en uiteindelijk verdwijnen.

"Met onze vorige hydrogels, we hadden meestal een secundair systeem nodig om de biomoleculen te leveren om weefselherstel effectief te produceren, " zei Guo. "In dit geval, ons grote voordeel is dat we die biomoleculen voor het specifieke weefsel rechtstreeks in de crosslinker zelf opnemen. Zodra we de hydrogel hebben geïnjecteerd, de biomoleculen zijn precies waar ze moeten zijn."

Om de reactie te laten werken, de onderzoekers waren afhankelijk van een variant van klikchemie, die de assemblage van moleculaire modules vergemakkelijkt. Click chemie katalysatoren werken meestal niet in water. Maar met de behulpzame begeleiding van Rice-chemicus en co-auteur Paul Engel, ze vestigden zich op een biocompatibele en oplosbare katalysator op basis van ruthenium.

"Er is één specifieke op ruthenium gebaseerde katalysator die we kunnen gebruiken, " zei Guo. "Anderen zijn vaak cytotoxisch, of ze zijn inactief onder waterige omstandigheden, of ze werken mogelijk niet met het specifieke soort alkyn op het polymeer.

"Deze specifieke katalysator werkt onder al die omstandigheden, namelijk, omstandigheden die zeer mild zijn, waterig en gunstig voor biomoleculen, " zei hij. "Maar het was nog niet gebruikt voor biomoleculen."