Wetenschap
Bevordering van weefselmanipulatie met hydrogels met vormgeheugen
Een van de belangrijkste doelen op het gebied van weefselmanipulatie en regeneratieve geneeskunde is de ontwikkeling van kunstmatige steigers die kunnen dienen als vervanging voor beschadigd weefsel. Deze materialen moeten idealiter op natuurlijk weefsel lijken en moeten het vermogen hebben om celadhesie, proliferatie en differentiatie te ondersteunen.
Bij het overwegen van steigermaterialen houden onderzoekers rekening met de eigenschappen van de steiger, zoals de oppervlakteruwheid, het watergehalte (hydratatietoestand) en de flexibiliteit of stijfheid (elastische modulus), omdat bekend is dat deze eigenschappen de celgroei beïnvloeden.
Hydrogels zijn biocompatibele verknoopte polymeren met een hoog watergehalte en zijn een veelbelovend steigermateriaal voor zacht weefsel. Ze kunnen worden ontworpen met verschillende elasticiteiten, die kunnen overeenkomen met de mechanische eigenschappen van verschillende natuurlijke weefsels. Hun elasticiteitsmodulus is echter gekoppeld aan hun samenstelling, wat resulteert in een verschil in de eigenschappen tussen zachtere en hardere hydrogels.
Om het specifieke effect van de elasticiteit van de hydrogel op de celgroei te bestuderen, heeft een onderzoeksteam onder leiding van assistent-professor Shin-nosuke Nishimura en professor Tomoyuki Koga van de Doshisha Universiteit, Japan, een hydrogel ontwikkeld met afstembare elastische moduli met behulp van dezelfde polymeren. De bevindingen van hun onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Material Technologies .
"De elastische modulus van hydrogels is een van de meest cruciale factoren bij het beheersen van het lot van cellen", legt Dr. Nishimura uit. Hydrogels met verschillende elasticiteiten worden echter gewoonlijk bereid door het basismonomeer en het verknopingsmiddel te veranderen. Dit heeft niet alleen invloed op de elasticiteit, maar ook op verschillende kenmerken, zoals hydrofiliteit en hydrofobiciteit.
Om dit probleem te voorkomen, ontwierpen de onderzoekers de hydrogel zonder verknopingen. Ze gebruikten poly(N-acryloylglycinamide) (PNAGAm) als basispolymeer, een vinylpolymeer met zijketens die sterke waterstofbruggen vormen. Deze bindingen breken bij hoge temperaturen en hechten zich weer bij lagere temperaturen, waardoor deze polymeren het unieke vermogen hebben om hun vorm te onthouden en te herstellen als reactie op temperatuurveranderingen.
Om de celadhesie-eigenschappen van de hydrogel te verbeteren, combineerden de onderzoekers het PNAGAm-polymeer met arginine (R) – glycine (G) – asparaginezuur (D) – serine (S) peptide door radicale copolymerisatie. Deze peptiden vertegenwoordigen de celbindingsplaatsen in het lichaam en maken de hydrogel geschikt voor celgroei.
In tegenstelling tot conventionele hydrogels kan de elastische modulus van de voorgestelde hydrogel worden aangepast door deze bij hoge temperaturen in verschillende diktes te comprimeren.
Bij blootstelling aan hoge temperaturen breken de waterstofbruggen in het polymeer en het comprimeren van de hydrogel onder dergelijke omstandigheden brengt het polymeernetwerk en op waterstof gebaseerde verknopingen dichter bij elkaar. Deze verandering in de moleculaire structuur leidt tot een wijziging van de elasticiteitsmodulus van de hydrogel.
Bij afkoeling behoudt de hydrogel, dankzij het opnieuw bevestigen van de waterstofbruggen, zowel zijn vorm als zijn elasticiteitsmodulus.
Door deze methode te gebruiken, veranderden de onderzoekers met succes de elastische modulus van een rechthoekige hydrogelstaaf. Ze comprimeerden verschillende delen van de hydrogel gedurende een uur tot diktes van 1 mm, 0,64 mm en 0,50 mm bij 65°C. Bij afkoeling tot een celkweektemperatuur van 37°C hadden de niet-geperste, matig geperste en stevig geperste gebieden elastische moduli van respectievelijk 9.460 Pa, 5.940 Pa en 3.460 Pa.
Bij het zaaien van de hydrogel met fibroblastcellen van muizenembryo's (NIH/3T3) observeerden de onderzoekers een directe correlatie tussen de elastische modulus van de hydrogel en het aantal gehechte cellen. In het niet-geperste gebied was het aantal gehechte cellen 1,3 × 10 4 cellen cm −2 , terwijl dit in het stevig aangedrukte gebied toenam tot 1,9 × 10 4 cellen cm −2 .
"In deze studie zijn we er voor het eerst ter wereld in geslaagd het celadhesiegedrag te controleren door gebruik te maken van de vormgeheugeneigenschappen van hydrogels", zegt prof. Koga.
Concluderend hebben de onderzoekers, door de elastische modulus te veranderen en tegelijkertijd andere eigenschappen consistent te houden, een platform gecreëerd dat kan worden gebruikt om de invloed van de elastische modulus op de celgroei te onderzoeken. Dit kan leiden tot verbeterde materialen voor weefselregeneratie.