Hydrogels zijn overal. Het zijn waterminnende polymeren die water kunnen absorberen en vasthouden, en is te vinden in alledaagse consumentenproducten zoals zachte contactlenzen, wegwerpluiers, bepaalde voedingsmiddelen, en zelfs in landbouwtoepassingen. Ze zijn ook uiterst nuttig in verschillende medische toepassingen vanwege hun hoge mate van biocompatibiliteit en hun vermogen om uiteindelijk af te breken en opnieuw in het lichaam te worden opgenomen.

Door deze eigenschappen kunnen hydrogels levend weefsel simuleren voor weefselvervanging of regeneratie. Een van de meest bruikbare van deze toepassingen is voor het genezen van wonden. Hydrogels zijn hiervoor ideaal, met hun vermogen om te hydrateren en een vochtige en ondersteunende omgeving te vormen. Dit vergemakkelijkt processen die gunstig zijn voor wondgenezing, zoals de vorming van bloedvaten, de afbraak van dood weefsel, activering van immuuncellen, de preventie van de dood van levende cellen en weefsels en zelfs de verlichting van pijn.

Natuurlijke hydrogels, in het bijzonder gelatine methacryloyl (GelMA) hydrogels, hebben de voorkeur voor wondgenezing vanwege hun bioveiligheid en uitzonderlijke biocompatibiliteit. Maar hun gebruik wordt belemmerd door hun inherent slechte mechanische eigenschappen zoals beperkte rekbaarheid, relatieve broosheid en inflexibiliteit, en hun onvermogen om zich aan weefseloppervlakken te hechten. Om deze eigenschappen te verbeteren, variaties op bereidingsmethoden en componenten zijn geprobeerd.

Wanneer een GelMA-hydrogel wordt bereid, een oplossing van gelatine wordt gemaakt door gelatine te mengen en op te lossen in water. Dit resulteert in een dispersie van gelatinepolymeerketens in het water. Een chemische stof, een foto-initiator genaamd, wordt vervolgens aan de oplossing toegevoegd, waardoor de polymeerketens kleverig worden en aan elkaar kunnen kleven. Blootstelling aan UV-licht activeert de foto-initiatoren en de polymeerketens verknopen met elkaar om een ​​netwerk te vormen. Watermoleculen komen dit netwerk binnen, de kettingen uitrekken en erin opgesloten raken; dit illustreert het absorptievermogen van de hydrogels en is het punt waar gelering, of stolling, komt voor.

De eigenschappen van deze gel kunnen worden gewijzigd door chemicaliën toe te voegen die vóór blootstelling aan UV-straling aan de polymeerketens binden, of de UV-parameters zelf kunnen worden gevarieerd om de eigenschappen van de gel af te stemmen. Met sommige van deze modificaties is geëxperimenteerd in eerdere pogingen om de fysieke eigenschappen van GelMA te verbeteren.

Eén benadering was om vóór verknoping extra chemicaliën in de GelMA-oplossing te introduceren; de resulterende chemisch geconjugeerde hydrogel vertoonde een lichte verbetering in weefseladhesie. Er zijn andere pogingen gedaan om GelMA te versterken door flexibele dunne chemisch geconjugeerde GelMA-films te versterken met extra chemicaliën. Maar er blijven uitdagingen met het verbeteren van de drie mechanische eigenschappen van taaiheid, rekbaarheid, en kleefkracht gelijktijdig in GelMA hydrogels.

Een samenwerkend team van het Terasaki Institute for Biomedical Innovation (TIBI) heeft methoden ontwikkeld om alle drie deze eigenschappen in GelMA-hydrogels te verbeteren in een eenvoudige procedure met instelbare fabricageparameters.

De onderzoekers wendden zich eerst tot een voorbeeld in de natuur in hun benadering om de hechting in de hydrogels te verbeteren. Zeemosselen scheiden sterke draden af ​​die worden gebruikt als hulpstukken en trekkoorden op rotsen en andere onregelmatige oppervlakken. Om deze draden te vormen, de mosselen produceren adhesie-eiwitten in een zure omgeving; bij blootstelling aan het licht alkalische oceaanwater, de eiwitten ondergaan een chemische verandering die draadvorming stimuleert.

Op overeenkomstige wijze, het TIBI-team voegde grote hoeveelheden dopamine toe, een chemisch analoog van mosseladhesie-eiwit, aan GelMA om de sterkte te vergroten, rekbaarheid, en hechtende eigenschappen. Ze onderwierpen het mengsel ook aan alkalische omstandigheden om de kleefkracht van de GelMA verder te vergroten.

De resultaten toonden aan dat de toevoeging van grote hoeveelheden dopamine aan de GelMA-oplossing de rekbaarheid van de resulterende hydrogel met bijna zes keer en de sterkte ervan met meer dan drie keer zou kunnen verhogen. Andere experimenten toonden aan dat wanneer de dopamine wordt onderworpen aan alkalische omstandigheden vóór de verknopingsstap, de kleefkracht kon tot vier keer worden verhoogd en de weerstand tegen afschuifkrachten met bijna zeven keer.

"De experimenten die we hebben uitgevoerd, bieden waardevol inzicht in procedures voor het activeren van taaiheid en hechting in op GelMA gebaseerde hydrogels, " zei Hossein Montazarian, doctoraat, eerste auteur van het project.

De onderzoekers zullen blijven experimenteren met andere chemicaliën om hun effecten op de mechanische eigenschappen van GelMA te optimaliseren. Dit kan leiden tot verbeteringen in aanvullende toepassingen zoals op de huid te bevestigen draagbare apparaten of genezende en regeneratieve interne implantaten.

"De kennis die hier wordt opgedaan over de fundamentele mechanische eigenschappen van hydrogels kan verstrekkende gevolgen hebben voor biomedische toepassingen, " zei Ali Khademhosseini, doctoraat, TIBI's directeur en CEO. "Het is een van de vele voorbeelden van impactvol onderzoek van ons biomaterialenplatform."