Ongebruikelijke interacties tussen polymeren verklaren hydrogelvorming

Veel mensen gebruiken hydrogels zonder het te weten. Als superabsorberende middelen in luiers absorberen hydrogels bijvoorbeeld veel vloeistof. Daarbij wordt het aanvankelijk droge materiaal geleiachtig, maar het wordt niet nat. Sommige mensen plaatsen het zwelbare materiaal op hun oogballen – zachte contactlenzen zijn ook gewoon hydrogels. Hetzelfde geldt voor gelei en andere alledaagse materialen.

Hydrogels spelen ook een rol in de wetenschap. Vanuit chemisch oogpunt zijn het lange, driedimensionaal verknoopte polymeermoleculen die holtes vormen. Binnenin kunnen ze watermoleculen absorberen en vasthouden.

In de werkgroep van voormalig Würzburgse scheikundeprofessor Robert Luxenhofer wordt de geschiktheid van hydrogels voor biofabricage getest: hydrogels kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt voor 3D-printen als steigerstructuren waarop cellen kunnen worden bevestigd. Op deze manier kunnen bijvoorbeeld kunstmatige weefsels worden geproduceerd voor medisch onderzoek en regeneratieve therapieën.

Hydrogelvorming vormde een puzzel

Tijdens dit onderzoek merkte Dr. Lukas Hahn in het team van Luxenhofer een ongebruikelijke vorm van hydrogelvorming op. Hij observeerde het in polymeren die bedoeld waren voor nanogeneeskunde, met name voor medicijnafgifte.

Deze polymeren rangschikken zich tot bolvormige nanodeeltjes in water van 40 graden. Wanneer het water wordt afgekoeld tot onder de 32 graden, clusteren de bolletjes tot wormachtige structuren en ontstaat er een gel. Bij verhitting lost het weer op.

“Dit gedrag is zeer zeldzaam in synthetische polymeren en was volkomen onverwacht”, legt Robert Luxenhofer uit, die nu lesgeeft en onderzoek doet aan de Universiteit van Helsinki. Als het toch gebeurt, is de gelvorming meestal het gevolg van waterstofbruggen – aantrekkingskrachten tussen polaire functionele groepen waarbij waterstofatomen betrokken zijn en die een stabiliserend effect hebben. Dergelijke interacties zijn bijvoorbeeld van cruciaal belang voor de structuur en functie van eiwitten.

Bij de polymeren waar we hier mee te maken hebben, ligt dat echter heel anders. In termen van hun chemische structuur zijn ze niet in staat om waterstofbruggen met elkaar te vormen. Blijkbaar waren de onderzoekers op een onbekend mechanisme van gelvorming gestuit.

Doorbraak met NMR-spectroscopie

Om de puzzel op te lossen zocht Robert Luxenhofer samenwerking met scheikundeprofessor Ann-Christin Pöppler van Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU), een expert in de karakterisering van nanodeeltjes gemaakt van polymeren. In samenwerking met andere onderzoeksgroepen heeft haar team de eigenaardige vorm van gelvorming onder de loep genomen – een complexe puzzel die ruim twee jaar in beslag nam om op te lossen.

“We konden het onbekende mechanisme ophelderen omdat we een breed scala aan analytische hulpmiddelen gebruikten. Uiteindelijk kwam de doorbraak echter met verschillende methoden van NMR-spectroscopie”, legt de JMU-chemicus uit. Haar promovendus Theresa Zorn zocht uit wat in dit geval tot gelvorming leidt: specifieke interacties tussen amidegroepen van de in water oplosbare en fenylringen van de niet in water oplosbare polymeerbouwstenen. Deze interacties zorgen ervoor dat de bolvormige nanodeeltjes condenseren en herstructureren tot wormachtige structuren.

De bevindingen konden worden bevestigd door theoretische berekeningen: Dr. Josef Kehrein, een voormalig Ph.D. student van JMU professor Christoph Sotriffer, een expert in computerondersteunde modellering van driedimensionale interacties tussen moleculen, is daarin geslaagd. Ook hij werkt nu in Helsinki.

De resultaten zijn gepubliceerd in ACS Nano.

Volgende stappen

Hoe gaan we verder? De onderzoekers zijn ervan overtuigd dat het nieuw ontdekte mechanisme van hydrogelvorming ook relevant is voor andere polymeren en voor hun interacties met biologische weefsels.

Daarom wil het team de polymeren chemisch modificeren om te zien hoe dit hun eigenschappen en hydrogelatie beïnvloedt. Het kan mogelijk zijn om specifiek de geleertemperatuur en de sterkte en duurzaamheid van de gel te beïnvloeden. Van de gemodificeerde materialen zou men die kunnen selecteren die het meest geschikt zijn voor gebruik in biofabricage.

Het team van Ann-Christin Pöppler wil ook onderzoeken of de nanodeeltjes en dus ook de hydrogel geladen kunnen worden met ‘gastmoleculen’. Dit kan interessant zijn voor medische toepassingen: als de gel oplost bij lichaamstemperatuur, kan het de werkzame stoffen vrijgeven waarmee het eerder was beladen. Toepassingen in de vorm van implantaten, pleisters of contactlenzen zijn denkbaar.