Hydrogels zijn veelzijdige biomaterialen die een steeds groter aantal biomedische gebieden veroveren. Ze bestaan ​​uit door water gezwollen moleculaire netwerken die op maat kunnen worden gemaakt om de mechanische en chemische kenmerken van verschillende organen en weefsels na te bootsen. Ze kunnen in het lichaam en op de buitenoppervlakken met elkaar communiceren zonder enige schade aan te richten aan zelfs de meest delicate delen van de menselijke anatomie.

Hydrogels worden in de klinische praktijk al gebruikt voor de therapeutische toediening van medicijnen om ziekteverwekkers te bestrijden; als intraoculaire en contactlenzen, en hoornvliesprothesen in de oogheelkunde; botcement, wondverbanden, bloedstollende verbanden en 3D-scaffolds voor weefselmanipulatie en -regeneratie.

Het snel en sterk aan elkaar hechten van hydrogelpolymeren is echter een onvervulde behoefte gebleven, omdat traditionele methoden vaak resulteren in een zwakkere hechting na langere hechtingstijden dan gewenst, en afhankelijk zijn van complexe procedures.

Het bereiken van een snelle adhesie van polymeren zou tal van nieuwe toepassingen mogelijk kunnen maken, waaronder bijvoorbeeld hydrogels waarvan de stijfheid nauwkeurig kan worden afgestemd om zich beter aan te passen aan specifieke weefsels, on-demand inkapseling van flexibele elektronica voor medische diagnostiek, of de creatie van zelfklevende weefselverpakkingen voor moeilijk te verbinden delen van het lichaam.

Nu hebben wetenschappers van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering van de Harvard University en de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) een eenvoudige en veelzijdige methode ontwikkeld om lagen gemaakt van dezelfde of verschillende soorten materiaal direct en effectief te verbinden. hydrogels en andere polymere materialen, waarbij gebruik wordt gemaakt van een dunne laag chitosan:een vezelachtig, op suiker gebaseerd materiaal dat is afgeleid van de verwerkte buitenste skeletten van schaaldieren.

De onderzoekers hebben hun nieuwe aanpak met succes toegepast op verschillende onopgeloste medische problemen, waaronder de lokale beschermende koeling van weefsels, het afsluiten van vaatletsel en het voorkomen van ongewenste ‘chirurgische verklevingen’ van interne lichaamsoppervlakken die niet aan elkaar mogen plakken. De bevindingen zijn gepubliceerd in de Proceedings of the National Academy of Science .

"Chitosanfilms met hun vermogen om hydrogels in het lichaam en daarbuiten effectief te assembleren, verfijnen en beschermen, openen talloze nieuwe mogelijkheden om apparaten voor regeneratieve geneeskunde en chirurgische zorg te creëren", zegt David Mooney, senior auteur en medeoprichter van de kernfaculteit van het Wyss Institute. , Ph.D.

"De snelheid, het gemak en de effectiviteit waarmee ze kunnen worden toegepast, maakt ze zeer veelzijdige gereedschappen en componenten voor in vivo assemblageprocessen in vaak korte tijdsvensters tijdens operaties, en de eenvoudige fabricage van complexe biomateriaalstructuren in productiefaciliteiten", aldus Mooney die ook de Robert P. Pinkas Family Professor of Bioengineering is bij SEAS.

Een nieuwe band ontwikkelen

De afgelopen jaren heeft het team van Mooney van het Wyss Institute en SEAS ‘Tough Adhesives’ ontwikkeld, een verzameling regeneratieve geneeskundebenaderingen die gebruik maken van rekbare hydrogels om wondgenezing en weefselregeneratie te vergemakkelijken door zich sterk aan natte weefseloppervlakken te hechten en zich aan te passen aan de mechanische eigenschappen van weefsels. eigenschappen.

"Nauwkeurig geformuleerde Tough Adhesives en niet-klevende hydrogels geven ons en andere onderzoekers nieuwe mogelijkheden om de patiëntenzorg te verbeteren. Maar om hun functionaliteiten een of zelfs meerdere stappen verder te brengen, wilden we twee of meer hydrogels kunnen combineren in complexere assemblages, en om dit snel, veilig en in een eenvoudig proces te doen", zegt mede-eerste auteur en voormalig Wyss Research Associate Benjamin Freedman, Ph.D., die samen met Mooney de leiding had over verschillende Tough Adhesive-ontwikkelingen.

"Bestaande methoden om hydrogels of elastomeren onmiddellijk te binden hadden opvallende nadelen omdat ze afhankelijk waren van giftige lijmen, de chemische functionaliteit van hun oppervlakken of andere complexe procedures."

Door middel van een screening van biomaterialen identificeerde het team overbruggingsfilms die volledig uit chitosan waren gemaakt. Chitosan is een suikerachtig polymeer dat gemakkelijk kan worden gemaakt uit de chitineschelpen van schaaldieren en dat al zijn weg heeft gevonden naar uiteenlopende commerciële toepassingen. Het wordt momenteel bijvoorbeeld gebruikt voor de behandeling van zaden en als biopesticide in de landbouw, om bederf bij de wijnbereiding te voorkomen, bij zelfherstellende verfcoatings en bij medische wondbehandeling.

Het team ontdekte dat chitosanfilms een snelle en sterke binding van hydrogels tot stand brachten door chemische en fysische interacties die anders zijn dan die welke betrokken zijn bij traditionele hydrogelbindingsmethoden.

In plaats van nieuwe chemische bindingen te creëren op basis van het delen van elektronen tussen individuele atomen (covalente bindingen), veroorzaakt door een kleine verschuiving in de pH, absorberen de suikerstrengen van chitosan snel water dat zich tussen hydrogellagen bevindt en verstrengelen zich met de polymeergroepen van hydrogels, waardoor meerdere bindingen via elektrostatische interacties en waterstofbruggen (niet-covalente bindingen).

Dit resulteert in adhesiekrachten tussen hydrogels die aanzienlijk groter zijn dan die gecreëerd door traditionele hydrogel-bindingsbenaderingen.

Eerste aanmeldingen

Om de breedte van het potentieel van hun nieuwe methode aan te tonen, concentreerden de onderzoekers zich op zeer verschillende medische uitdagingen. Ze toonden aan dat Tough Adhesives gemodificeerd met chitosanfilms nu gemakkelijk rond cilindrische vormen zoals een gewonde vinger konden worden gewikkeld als zelfhechtende verbanden om een ​​betere wondverzorging te bieden. Vanwege het hoge watergehalte van de met chitosan gebonden hydrogels maakte de toepassing ervan ook de plaatselijke koeling van de onderliggende menselijke huid mogelijk, wat in de toekomst zou kunnen leiden tot alternatieve brandwondenbehandelingen.

De onderzoekers wikkelden ook hydrogels (taaie gels) waarvan de oppervlakken waren gemodificeerd met dunne chitosanfilms naadloos rond darm-, pees- en perifeer zenuwweefsel zonder zich aan de weefsels zelf te hechten.

"Deze aanpak biedt de mogelijkheid om weefsels effectief van elkaar te isoleren tijdens operaties, die anders 'fibrotische verklevingen' kunnen vormen met soms verwoestende gevolgen. Het voorkomen ervan is een onvervulde klinische behoefte waar commerciële technologieën nog niet adequaat op kunnen inspelen", legt Freedman uit. P>

Bij een andere toepassing brachten ze een dunne chitosanfilm aan op een taaie gel die al ex vivo op de aorta van een gewond varken was geplaatst als wondafdichtmiddel om de algehele sterkte van het verband te vergroten, dat werd blootgesteld aan de cyclische mechanische krachten van het bloed dat erdoorheen stroomde. het schip.

"De talrijke mogelijkheden die uit deze studie van de groep van Dave Mooney naar voren komen, voegen een nieuwe dimensie toe aan de engineering van biomedische hydrogelapparaten, wat zou kunnen leiden tot elegante oplossingen voor urgente onvervulde problemen in de regeneratieve en chirurgische geneeskunde waar veel patiënten van zouden kunnen profiteren", aldus Wyss Founding. Directeur Donald Ingber, M.D., Ph.D., tevens Judah Folkman Professor of Vascular Biology aan de Harvard Medical School en het Boston Children's Hospital, en de Hansjörg Wyss Professor of Bioinspired Engineering aan SEAS.

Andere auteurs van het onderzoek zijn co-eerste auteur Juan Cintron Cruz, Mathew Lee en James Weaver van het Wyss Institute en SEAS; Phoebe Kwon, Haley Jeffers en Daniel Kent bij SEAS; en Kyle Wu in het Beth Israel Deaconess Medical Center in Boston.

Meer informatie: Onmiddellijke sterke hechting van polymeernetwerken, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2304643121. doi.org/10.1073/pnas.2304643121

Journaalinformatie: Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen

Aangeboden door Harvard University