Dragende weefsels zoals spieren en kraakbeen vertonen doorgaans een hoge elasticiteit, taaiheid en snelle herstelpercentages. Echter, het combineren van dergelijke mechanische eigenschappen in het laboratorium om synthetische biomaterialen te bouwen is een fundamentele uitdaging. In een nieuwe studie die nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Wenxu Sun en een onderzoeksteam in de natuurkunde, technische mechanica en slimme apparaten in China, ontwikkelde een sterke, sterke en snel herstellende hydrogel. Het team ontwikkelde het materiaal met behulp van crosslinkers met coöperatieve dynamische interacties. Ze ontwierpen een histidine-rijk decapeptide (keten van 10 aminozuren) dat twee tandem (opeenvolgende) zink (Zn) bindingsmotieven bevat om de thermodynamische stabiliteit te vergemakkelijken, sterkere bindingssterkte en snellere bindingssnelheid van het construct, vergeleken met enkelvoudige bindende eiwitmotieven of geïsoleerde ligandeiwitten. De gemanipuleerde hybride netwerkhydrogels met het peptide-zinkcomplex vertoonden een hoge stabiliteit, taaiheid en snel herstel in seconden. Het onderzoeksteam verwacht dat de scaffolds dragende tissue engineering-toepassingen effectief kunnen beheren en als bouwstenen voor zachte robotica zullen fungeren. De nieuwe resultaten bieden een algemene route om mechanische en dynamische eigenschappen van hydrogels op moleculair niveau af te stemmen.

Als we lopen, onze spieren, kraakbeen en pezen zijn onderhevig aan aanzienlijke mechanische belastingen, maar biologische weefsels kunnen snel herstellen om gedurende vele mechanische cycli betrouwbaar te functioneren. Bio-ingenieurs hebben zachte hydrogels met spierachtige mechanische eigenschappen onderzocht als biomechanische actuatoren, synthetisch kraakbeen, kunstmatige spier, ionische huid en in zachte robotica. Ze hebben veel moeite gedaan om de mechanische sterkte en taaiheid van hydrogels te verbeteren door speciale mechanismen voor energiedissipatie te introduceren. Snel herstel is ook een unieke eigenschap voor dragend zacht weefsel, afgezien van mechanische sterkte en taaiheid, maar synthetische hydrogels missen nog steeds een mechanisme voor snel herstel. Bijvoorbeeld, traditionele hydrogels met dubbel netwerk (DN) of hybride netwerk (HN) met korte polymeerketens, aangezien opofferingsnetwerken doorgaans niet snel kunnen herstellen - wat vaak enkele minuten tot dagen duurt.

De sterkte van een hydrogel hangt af van de levensduur van zijn crosslinkers, waar langzame binding/ontbinding kinetiek leidt tot sterke hydrogels, terwijl snelle wisselkoersen zachte koersen opleveren. Om een ​​hoge sterkte en taaiheid te verkrijgen, moeten de crosslinkers langzaam zijn, maar om snel herstel te bereiken, de crosslinkers moeten dynamisch zijn met een hoge mate van associatie en dissociatie. Om deze tegenstelling te overwinnen, natuurlijk voorkomende dragende materialen hebben de coöperatie van zwakke interacties gebruikt. In dit werk, Zon et al. vergelijkbaar ontworpen hybride netwerk (HN) hydrogels met een specifiek ontworpen peptide-metaalcomplex als de fysieke crosslinker. Het team vormde efficiënte metaalbindingsplaatsen in een peptidesequentie om hydrogels met de vereiste kenmerken te engineeren.

Het team ontwierp eerst drie korte histidinerijke peptiden (HR-peptiden) als liganden om te binden met zinkionen (Zn ²⁺ ) en construeer HN-hydrogels. Ze gaven de peptidesequenties aan als PH ₁ , PH ₃ en PH ₆ gebaseerd op het aantal gekoppelde histidinen. Zon et al. synthetiseerde de peptiden met behulp van vaste-fase-peptidesynthese en zuiverde deze met krachtige vloeistofchromatografie. Ze observeerden de vorming van Zn ²⁺ histidine-coördinatiecomplexen met behulp van ultraviolet (UV) en Raman-spectroscopie. De specifiek ontworpen peptidesequentie maakte synergetische en coöperatieve Zn . mogelijk ²⁺ bindende affiniteit, vergeleken met peptiden met willekeurige histidineresiduen op hun sequenties. De wetenschappers bestudeerden het moleculaire mechanisme van coöperatieve zinkionbinding aan PH ₆ circulair dichroïsme gebruiken, de resultaten suggereren conforme veranderingen van de eerste coördinatieplaats van PH ₆ om cruciaal te zijn voor coöperatieve binding en liet zien hoe structurele veranderingen de voorkeur gaven aan extra Zn ²⁺ verbindend.

Zon et al. gebruikte geavanceerde technieken zoals op atoomkrachtmicroscopie (AFM) gebaseerde single-molecule force spectroscopie (SMF's) om de mechanische stabiliteit van het HR-peptide-Zn te meten ²⁺ complexen, d.w.z. crosslinkers van de hydrogel op moleculair niveau. De gemiddelde breekkrachten waren veel hoger voor PH ₆ vergeleken met andere soorten hydrogels, bevestiging van de taaiheid van de hydrogel. The results showed that the mechanical stability of the metal-ligand complexes could be improved considerably based on the binding sites.

The team explored if changes to the intrinsic properties of crosslinkers could alter macroscopic mechanical properties of the hydrogel by preparing a series of hybrid network (HN) hydrogels. They used HR-peptide-Zn ²⁺ as sacrificial crosslinkers and covalent bonds as permanent crosslinkers in the constructs and named the resulting hydrogels as HN-PH ₁ , HN-PH ₃ , and HN-PH ₆ , based on the peptide sequence used. The network structures were similar in all three hydrogels but the HN-PH ₆ gel was more compressible compared to the others, while functioning effectively under stressful mechanical environments. interessant, the scientists could even twist the HN-PH ₆ hydrogel into a spiral shape and compress the material with a sharp blade without causing it permanent damage.

The team conducted tensile mechanical tests on the gels and correlated the results on the bulk level with those at the molecular level, to show remarkably higher break strain, Young's modulus and toughness for the HN-PH ₆ gels. Sun et al. then examined the recovery property of the material based on loading-unloading cycles and found HN-PH ₆ gels to almost totally recover its macroscopic mechanical properties in minutes. Echter, if they cut up the HN-PH ₆ gels into pieces, the hydrogel could not self-heal since covalent crosslinkers do not reform after fracture. To understand the experimental outcomes, the research team also conducted theoretical analyses and proposed cooperative zinc binding on PH ₆ to be an important factor, among other factors to form strong and tough hydrogels with fast recovery rates.

Op deze manier, Wenxu Sun and colleagues developed a novel hydrogel material, bioinspired by histidine residues found in natural load-bearing materials. Combining such outstanding mechanical properties in the lab has remained a challenge due to the inability to effectively harness the unique metal ion binding properties that are encoded in natural proteins. In this work, Sun et al. used bioinspired Zn ²⁺ -binding peptide as crosslinkers to form the desired hydrogels at the molecular level, highlighting the importance of cooperative metal coordination during materials synthesis. They intend to examine additional mechanical features, such as adhesion to other tissues, before conducting practical applications in tissue engineering.

© 2020 Wetenschap X Netwerk