3D geprint, transplanteerbare organen klinken misschien als sciencefiction, maar, dankzij de vooruitgang in de polymeerchemie, ze kunnen werkelijkheid worden. Op stimulatie reagerende hydrogels vertegenwoordigen een brede klasse van zachte materialen die hun mechanische eigenschappen veranderen wanneer bepaalde externe triggers worden toegepast. Vorig jaar hebben onderzoekers van het lab van Jonathan Barnes, assistent-professor scheikunde, creëerde een nieuw soort kunstmatige moleculaire spier van een polymeer dat van kleur verandert en samentrekt bij blootstelling aan blauw licht. Vergelijkbare materialen beloven een breed scala aan toepassingen, vooral in de geneeskunde.

Barnes begon aan hydrogels te werken omdat hij een materiaal wilde ontwikkelen dat van vorm kon veranderen, maat, en mechanische eigenschappen wanneer ze worden geactiveerd - net zoals onze spieren doen wanneer ze uitzetten en samentrekken. "Veel mensen zeiden dat we nooit de hoeveelheid contractie zouden krijgen waar we op hoopten, "Barnes herinnerde zich, "maar het werkte eigenlijk beter dan we ooit hadden gedacht."

In "Omkeerbare hydrogel-fotopatronen:ruimtelijke en temporele controle over mechanische eigenschappen van gel met behulp van fotoredox-katalyse met zichtbaar licht, " gepubliceerd op 17 juni in het tijdschrift ACS toegepaste materialen en interfaces , Barnes' lab presenteerde een nieuw soort responsief polymeer dat voortbouwt op het succes van de eerdere studie. Het nieuwe werk van het team was gericht op het ontwikkelen van zachte, biocompatibele materialen die zware lasten kunnen dragen - materialen die in de toekomst bijzonder geschikt kunnen zijn voor medisch gebruik zoals protheses of transplanteerbare organen.

Faheem Amir, hoofdauteur van het artikel en een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Barnes, zegt dat dit type onderzoek een huidige lacune in de technologie aanpakt. "Cellen in levende systemen worden geconfronteerd met een 3D-omgeving, toch worden de meeste onderzoeken op cellen gedaan op 2D-materialen, " legde hij uit. Hydrogels die sterk zijn, maar toch zacht en elastisch, kan wetenschappers zoals Amir een manier bieden om cellen in een 3D-systeem te brengen en te zien hoe de cellen zich onder verschillende omstandigheden gedragen.

Het team heeft de chemie achter de reacties van hun polymeer opnieuw ontworpen om nieuwe hydrogels te maken met behulp van een biocompatibel polymeer. Het basismateriaal, momenteel gebruikt in contactlenzen, zorgt voor meer elasticiteit en kan op zijn beurt 3D-celnetwerken beter ondersteunen.

Sinds hun eerste succes, het team heeft gewerkt aan het verbeteren van de reactiesnelheid en de activeringsmethode. Vroegere hydrogels vereisten onderdompeling in een chemisch reducerende oplossing, maar het nieuwe materiaal van het team reageert op zichtbaar licht door de opname van een fotokatalysator in het hydrogelnetwerk. Dit hete gebied van de chemie staat bekend als fotoredox-katalyse, en het heeft de bruikbaarheid van de hydrogels van Barnes Lab drastisch vergroot.

"We gebruiken de fotokatalysator om licht te absorberen en een elektron over te brengen naar ons polymeer, die het materiaal aanstuurt. Zodra we het licht uitdoen en het materiaal wordt blootgesteld aan zuurstof in de omgevingslucht, het keert het proces om, " legde Barnes uit. "Het is een soort spons. Als we al het water naar buiten duwen, het is kleiner, maar als je het dan weer in het water laat vallen, het zal weer opzwellen. Het is hetzelfde soort proces als bij natuurlijk, mechanische systemen, als spieren."

Toen het team eenmaal wist dat het proces zou werken met zichtbaar licht, ze wilden hun toepassing verfijnen door licht op de gel te laten schijnen en alleen zeer precieze locaties in de gel te activeren, niet alles. Dat is de focus van deze studie:kan de nieuwe hydrogel niet alleen werken zoals in eerdere iteraties, maar dit ook precies doen?

Amir rapporteerde succes op verschillende gebieden. "Het proces resulteerde in een aanzienlijke toename van de stijfheid van het zachte materiaal, treksterkte, en procent rek voordat het breekt, die allemaal gemakkelijk kunnen worden teruggedraaid via oxidatie en zwelling in water, " zei hij. De hydrogels maakten ook een nauwkeurige ruimtelijke resolutie en controle mogelijk over waar activeringen plaatsvonden, die het team illustreerde met een fotopatroon van een Amerikaans vlagontwerp.

Nu onderzoekers in Barnes' lab ruimtelijke controle hebben over de activering van de hydrogel, ze kunnen het optimaliseren voor biomedische toepassingen in samenwerking met de Washington University School of Medicine (WUSM). "We weten genoeg over de basisstructuur van organen om ze in principe in 3D te kunnen printen, maar we missen de materialen, ' zei Barnes.

Onderzoekers in het laboratorium van Barnes zullen zich vervolgens concentreren op het aantonen dat hun hydrogels duurzaam genoeg zijn om toepassingen te ondersteunen met cellen die in een 3D-matrix zijn gesuspendeerd. Het kunnen activeren van specifieke gebieden in drie dimensies is een belangrijke stap naar het succesvol kweken van weefsel in een 3D-celcultuur. Verdere verfijningen van het materiaal omvatten het activeren met andere golflengten van licht, zoals infrarood, die niet-invasieve activering door menselijk weefsel mogelijk zou maken. Het uiteindelijke doel zou zijn om een ​​injecteerbare, 3D-afdrukbare aangepaste hydrogel - een gepersonaliseerde "bio-inkt" opgebouwd uit het eigen weefsel van een patiënt - die selectief door de huid kan worden geactiveerd, gewoon door er licht op te laten schijnen. Dit zou zeer gespecialiseerde toepassingen in het lichaam mogelijk maken.

"Vooruit gaan, we hebben een samenwerking ontwikkeld met Dr. Moe Mahjoub van WUSM, waar we de effecten van foto-geïnduceerde activering op cellulair gedrag bestuderen, " zei Amir. De medewerkers hopen dat hun geactiveerde hydrogels in staat zullen zijn om menselijk weefsel na te bootsen, het creëren van een algemeen platform voor gebruik in talloze toepassingen. De veelzijdigheid van de belangrijkste technologie van het team, hun polymeriseerbare crosslinker, ondersteunt dit doel:onderzoekers kunnen hun crosslinker combineren met elk monomeer om aangepaste polymeren te maken met zorgvuldig afgestemde kenmerken en mechanische eigenschappen.

"We hebben dit idee waarvan niemand dacht dat het zou werken tot het punt gebracht waarop we daadwerkelijk biomedische relevantie met deze materialen aantonen. Dit gaat veel verder dan de fundamentele chemie, en zelfs buiten WashU, om samenwerkingen op te bouwen over het hele land en zelfs de wereld, ", zei Barnes. Dit onderzoek werd gepresenteerd op de bijeenkomst van de American Chemical Society (ACS) afgelopen april. Bekijk de volledige presentatie van Barnes, "Spierachtig materiaal zet uit en krimpt in reactie op licht, " van ACS Orlando 2019.