Een nieuw biomateriaal voor regeneratieve geneeskunde: wetenschappers ontwikkelen acellulaire nanocomposiet levende hydrogels

Een biomateriaal dat bepaald gedrag binnen biologische weefsels kan nabootsen, kan regeneratieve geneeskunde, ziektemodellering, zachte robotica en meer bevorderen, volgens onderzoekers van Penn State.

Materialen die tot nu toe zijn gemaakt om weefsels en extracellulaire matrices (ECMS) na te bootsen – de biologische steiger van het lichaam van eiwitten en moleculen die weefsels en cellen omringen en ondersteunen – hebben allemaal beperkingen die hun praktische toepassingen belemmeren, volgens het team. Om sommige van die beperkingen te overwinnen, ontwikkelden de onderzoekers een bio-gebaseerde, “levend” Materiaal dat zelfherstellende eigenschappen omvat en de biologische respons van ECM’s op mechanische stress nabootst.

Zij gepubliceerd Hun resultaten in Materialen horizonwaar het onderzoek ook op de cover van het Journal te zien was.

“We hebben een celvrije-of acellulair-materiaal ontwikkeld dat het gedrag van ECM’s dynamisch nabootst, die belangrijke bouwstenen zijn van zoogdierweefsels die cruciaal zijn voor weefselstructuur en celfuncties,” zei overeenkomstige auteur Amir Sheikhi, universitair hoofddocent chemische technologie en de Dorothy Foehr Huck en J. Lloyd Huck vroege carrière -voorzitter in biomaterialen en regeneratieve engineering.

Volgens de onderzoekers waren eerdere iteraties van hun materiaal-een hydrogel of waterrijk polymeernetwerk-synthetisch en misten de gewenste combinatie van mechanische responsiviteit en biologische nabootsing van ECM’s.

“In het bijzonder moeten deze materialen niet-lineaire stam-strain-stiffening repliceren, dat is wanneer ECM-netwerken verstijven onder stam veroorzaakt door fysische krachten die worden uitgeoefend door cellen of externe stimuli,” Zei Sheikhi, het uitleggen van niet-lineaire stam-storfening is belangrijk voor het bieden van structurele ondersteuning en het faciliteren van celsignalering.

“De materialen moeten ook de zelfherstellende eigenschappen repliceren die nodig zijn voor weefselstructuur en overleving. Eerdere synthetische hydrogels hadden problemen bij het balanceren van materiaalcomplexiteit, biocompatibiliteit en mechanische nabootsing van ECM’s.”

Het team heeft deze beperkingen aangepakt door acellulaire nanocomposiet Living Hydrogels (Livgels) te ontwikkelen gemaakt van “harig” nanodeeltjes. De nanodeeltjes zijn samengesteld uit nanokristallen, of “nlinkers,” met ongeordende celluloseketens, of “haren,” Aan de uiteinden.

Deze haren introduceren anisotropie, wat betekent dat de Nlinkers verschillende eigenschappen hebben, afhankelijk van hun directionele oriëntatie en dynamische binding mogelijk maken met biopolymeernetwerken. In dit geval zijn de nanodeeltjes verbonden met een biopolymeermatrix van gemodificeerd alginaat, een natuurlijk polysacharide dat wordt aangetroffen in bruine algen.

“Deze Nlinkers vormen dynamische bindingen in de matrix die stam-straiffen-gedrag mogelijk maken, dat wil zeggen, het nabootsen van de reactie van ECM op mechanische stress; en zelfherstellende eigenschappen, die de integriteit herstellen na schade,” Zei Sheikhi en merkte op dat de onderzoekers reologische testen gebruikten, die meet hoe materiaal zich onder verschillende stressoren gedraagt, om te meten hoe snel de livgels hun structuur herstelden na hoge spanning. “Door deze ontwerpbenadering kon de mechanische eigenschappen van het materiaal worden afgestemd om te passen bij die van natuurlijke ECM’s.”

Van cruciaal belang, zei Sheikhi, dit materiaal is volledig gemaakt van biologische materialen en vermijdt synthetische polymeren met mogelijke biocompatibiliteitsproblemen. Naast het verminderen van de beperkingen van eerder ontwikkelde materialen, bereiken livgels de dubbele eigenschappen van niet-lineaire mechanica en zelfherstel zonder op te offeren met structurele integriteit. De NLinkers vergemakkelijken specifiek dynamische interacties die nauwkeurige controle van stijfheid en stamstrain-eigenschappen mogelijk maken. Samengevat zet de ontwerpbenadering bulk, statische hydrogels om in dynamische hydrogels die ECM’s nauw nabootsen.

De potentiële toepassingen omvatten steiger voor weefselherstel en regeneratie in regeneratieve geneeskunde, het simuleren van weefselgedrag voor het testen van drugs en het creëren van realistische omgevingen voor het bestuderen van ziekteprogressie. De onderzoekers zeiden dat het ook kon worden gebruikt voor 3D -bioprinting aanpasbare hydrogels of voor het ontwikkelen van zachte robotica met aanpasbare mechanische eigenschappen.

“Onze volgende stappen omvatten het optimaliseren van livgels voor specifieke weefseltypen, het verkennen van in vivo toepassingen voor regeneratieve geneeskunde, het integreren van livgels met 3D -bioprintingplatforms en het onderzoeken van potentieel in dynamische draagbare of implanteerbare apparaten,” Zei Sheikhi.

Roya Koshani, een chemische technische postdoctorale wetenschapper in Penn State, en Sina Kheirabadi, een doctoraatskandidaat in chemische technologie in Penn State, waren co-auteurs op het papier. Sheikhi is ook aangesloten bij de afdelingen van biomedische engineering, van chemie en van neurochirurgie, en met de Huck Institutes of the Life Sciences.