Bio-ingenieurs en tandartsen van de UCLA School of Dentistry hebben een nieuwe hydrogel ontwikkeld die poreuzer en effectiever is in het bevorderen van weefselherstel en -regeneratie in vergelijking met hydrogels die momenteel beschikbaar zijn. Eenmaal geïnjecteerd in een muismodel, het is aangetoond dat de nieuwe hydrogel de migratie van natuurlijk voorkomende stamcellen induceert om de botgenezing beter te bevorderen. Huidige experimentele toepassingen met hydrogels en stamcellen die in het lichaam worden geïntroduceerd of dure biologische middelen kunnen negatieve bijwerkingen hebben.

De bevindingen, online gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie , suggereren dat in de nabije toekomst de volgende generatie hydrogelsystemen de huidige op biomaterialen gebaseerde therapieën om botdefecten te herstellen aanzienlijk zou kunnen verbeteren.

Hydrogels zijn biomaterialen die zijn opgebouwd uit een 3D-netwerk van polymeerketens. Vanwege het vermogen van het netwerk om water te absorberen en de structurele overeenkomsten met levend weefsel, het kan worden gebruikt om cellen af ​​te leveren aan defecte gebieden om verloren weefsel te regenereren. Echter, de kleine poriegrootte van hydrogels beperkt de overleving van getransplanteerde cellen, hun expansie en vorming van nieuw weefsel, waardoor dit minder dan ideaal is voor het regenereren van weefsel.

Een materiaal dat aanslaat op het gebied van biomaterialen is het natuurlijk voorkomende mineraal, klei. Klei is een ideale toevoeging aan medische producten geworden zonder gerapporteerde negatieve effecten. Het is aangetoond dat het biocompatibel is en gemakkelijk verkrijgbaar is.

De klei is in lagen opgebouwd, waarbij het oppervlak een negatieve lading heeft. De unieke gelaagde structuur en lading waren belangrijk voor onderzoekers omdat hun hydrogels een positieve of tegengestelde lading hadden. Toen de hydrogel in de kleilagen werd ingebracht, via een proces dat intercalatiechemie wordt genoemd, het eindresultaat was een met klei versterkte hydrogel met een veel poreuzere structuur die de botvorming beter kon vergemakkelijken.

Toen ze eenmaal hun met klei verrijkte hydrogel hadden, de onderzoekers gebruikten een proces genaamd foto-inductie, of de introductie van licht, om hun nieuwe biomateriaal in een gel te veranderen, wat het gemakkelijker zou maken om in hun muismodel te worden geïnjecteerd.

Het muismodel had een niet-genezend schedeldefect, die de onderzoekers injecteerden met hun met klei versterkte hydrogel. Na zes weken, ze ontdekten dat het model significante botgenezing vertoonde door zijn eigen natuurlijk voorkomende stamcelmigratie en groei.

"Dit onderzoek zal ons helpen de volgende generatie hydrogelsystemen met hoge porositeit te ontwikkelen en kan de huidige bottransplantaatmaterialen aanzienlijk verbeteren, " zei hoofdauteur Min Lee, hoogleraar biomaterialenwetenschap aan de UCLA School of Dentistry en lid van het Jonsson Comprehensive Cancer Center. "Ons nanocomposiet hydrogelsysteem zal voor veel toepassingen nuttig zijn, inclusief therapeutische levering, celdragers en tissue engineering."

Injecteerbare combinaties van levende cellen en bioactieve moleculen met behulp van hydrogels zouden een voorkeur hebben voor medische toepassing om ongezonde of beschadigde delen van het lichaam te behandelen in plaats van meer invasieve chirurgie.

Toekomstig onderzoek is gepland om te leren hoe de fysieke eigenschappen van nanocomposiet-hydrogels de migratie van cellen en hun functie beïnvloeden, evenals de vorming van bloedvaten.

Andere auteurs van de studie zijn co-eerste auteur Zhong-Kai Cui, een assistent-professor celbiologie aan de Southern Medical University in China; en dr. Benjamin Wu, Dr. Tara Aghaloo, Jessalyn Baljon en Soyon Kim, heel UCLA.

De studie werd gefinancierd door het National Institute of Dental and Craniofacial Research, het National Institute of Artritis and Musculoskeletal and Skin Diseases, het Amerikaanse ministerie van Defensie en MTF Biologics. De auteurs hebben geen tegenstrijdige belangen.