Metalen zoals ijzer en calcium spelen een cruciale rol in het menselijk lichaam, het is dus geen verrassing dat bio-ingenieurs ze willen integreren in de zachte, rekbare materialen die worden gebruikt om de huid te herstellen, aderen, longen en ander weefsel.

Het ontwerpen van elastomeren - een type polymeer met rubberachtige eigenschappen - is een moeizaam proces dat een product oplevert met een beperkte veelzijdigheid. Maar de ingenieurs van Cornell hebben een nieuw raamwerk ontwikkeld dat het ontwerpen van elastomeer tot een modulair proces maakt. waardoor het mengen en matchen van verschillende metalen met een enkel polymeer mogelijk is.

Het raamwerk wordt gedetailleerd beschreven in "Chelation Crosslinking of Biodegradable Elastomers, " gepubliceerd op 22 september in Geavanceerde materialen .

Het raamwerk werd bedacht toen onderzoekers van Cornell's Biofoundry Lab probeerden een elastisch vaattransplantaat te maken dat zou kunnen helpen hartweefsel te herstellen met behulp van koper. Yadong Wang, de McAdam Family Foundation hoogleraar Cardiac Assist Technology aan de Meinig School of Biomedical Engineering, en postdoctoraal medewerker Ying Chen wilde koper in hun transplantaat opnemen vanwege zijn rol bij het induceren van angiogenese - het proces waarbij nieuwe bloedvaten groeien uit bestaande.

Het mengen van koper en andere metaalionen met polymeren is een nichegebied van de chemie gebleven, dus er was geen blauwdruk voor Chen om te volgen. In plaats daarvan, ze ging op zoek naar een nieuw biocompatibel en biologisch afbreekbaar elastomeer.

Chen's belangrijkste doorbraak was het verknopen van haar polymeer met koperionen met behulp van chelerende liganden - moleculen die een metaalion stevig binden met behulp van twee of meer bindingen, "zoals een krabklauw in een voorwerp knijpt, " zei Wang. Hoewel chelatiebindingen in de chemie als van matige sterkte worden beschouwd, elastomeren hebben veel verknopende moleculen, dus een veelvoud aan chelaatvormende liganden kan samenwerken om een ​​sterk molecuul te vormen.

En omdat één ligand meerdere metaalionen kan binden, het kan een breed scala aan mechanische eigenschappen opleveren, zoals stijfheid en taaiheid, evenals biomedische eigenschappen. Bijvoorbeeld, de koperionen van een polymeer kunnen worden vervangen door zink, of een combinatie van koper en zink kan worden gebruikt - een tandem die aanwezig is in een belangrijk enzym voor het bestrijden van menselijke veroudering.

"De ontdekking was best spannend, "Zei Chen. "Ik wilde gewoon verder gaan met mijn koperelastomeer omdat ik me toeleg op tissue engineering, maar professor Wang zei:'Vertragen, we moeten testen hoe krachtig dit platform is en wat we ermee kunnen doen.'"

Als proof-of-concept, Chen ontwikkelde zes unieke elastomeren met behulp van één polymeer en zes verschillende metalen, en maakte vervolgens een zevende elastomeer met behulp van een calcium-magnesiummengsel. Het was de eerste keer dat iemand een biologisch afbreekbaar metaalionelastomeer had aangetoond, laat staan ​​zeven ervan.

"Toen Ying me liet zien wat ze had gedaan, Ik zei, 'Dit materiaal is geweldig, '" zei Wang. "Er is zoveel dat je kunt doen met slechts dit ene eenvoudige ontwerp. Met behulp van veel verschillende soorten metaalionen, één polymeer kan acht worden, negen, 10 verschillende elastomeren."

Het onderzoeksteam voerde ook mechanische en biocompatibiliteitsexperimenten uit op hun elastomeren, testen op de spanning van de materialen, spanning en het vermogen om met levend weefsel te worden gebruikt. De duurzaamheid en biocompatibiliteit van de elastomeren kwam overeen met die van meer traditionele biomaterialen die in de geneeskunde worden gebruikt.

"Het kopermateriaal was erg elastisch, "Zei Chen. "Het kan minstens honderden keren worden uitgerekt zonder te scheuren."

Nu het platform heeft gepubliceerd, Chen richt haar onderzoek op het koperelastomeertransplantaat en het vermogen ervan om bloedvaten en hartweefsel te herstellen. Ondertussen, ze hoopt dat andere ingenieurs haar platform zullen gebruiken om nieuwe materialen te maken voor het verbeteren van de reconstructie en regeneratie van zacht weefsel.

Wang deelt dezelfde hoop, en genoemde mogelijke toepassingen voor het raamwerk zijn niet beperkt tot bloedvaten en andere weefsels, maar kan mogelijk worden gebruikt voor industriële elastomeren zoals milieuvriendelijke banden die biologisch afbreekbaar zijn.

"We krabben slechts aan de oppervlakte, " hij zei.