‘Patchy’ thermogels tonen het volgende genpotentieel voor het biomedisch materiaal, zeggen wetenschappers

Speciale biomedische materialen die als een vloeistof kunnen worden geïnjecteerd en veranderen in een vaste stof in ons lichaam-thermogels die worden genoemd-kunnen een minder invasieve manier bieden om medicijnen te leveren of wonden te behandelen. Wetenschappers van Penn State hebben een nieuw ontwerp ontwikkeld voor deze materialen die hun eigenschappen verder verbeteren en een bijzondere belofte kunnen houden voor gebruik in weefselregeneratie, zeiden de onderzoekers.

Het team gemeld hun bevindingen in Geavanceerde functionele materialen.

Thermogels zijn speciale materialen die kunnen transformeren van vloeistof naar gel wanneer ze worden geactiveerd door warmte, zoals van kamertemperatuur naar lichaamstemperatuur gaan. Hoewel dit werk werd getest als een proof of concept in een bufferoplossing die overeenkomt met de pH en temperatuur van cellulaire systemen, zeiden de wetenschappers dat de technologie veelbelovend is voor biomedische toepassingen.

Gels kunnen bijvoorbeeld in het menselijk lichaam worden geïntroduceerd door een eenvoudige injectie zonder de noodzaak van een operatie. Maar het regelen van hoe de hydrogel vormt, blijft uitdagend en kan leiden tot zwakke en onstabiele thermogels.

De onderzoekers creëerden “fragmentarische” op nanodeeltjes gebaseerde thermogelmaterialen-wat betekent dat ze plakkerige gebieden hebben die de nanodeeltjes aanmoedigen om op een meer gecontroleerde manier te assembleren wanneer verwarmd. Dit verbetert de mechanische eigenschappen en stelt wetenschappers mogelijk in staat om de materialen voor verschillende biomedische toepassingen te verfijnen, zei Urara Hasegawa, universitair docent materiaalwetenschap en engineering aan Penn State en hoofdauteur van de studie.

“Dit is opwindend in termen van de ontwikkeling van biomedische materialen van de volgende generatie,” zei Hasegawa. “Het is momenteel erg moeilijk om te bepalen hoe thermogelmaterialen zich in het lichaam vormen. Deze nieuwe aanpak gaat om die uitdaging en we denken dat het een grote impact kan hebben op de ontwikkeling van biomateriaal.”

Biomedische thermogelmaterialen zijn meestal samengesteld uit micellen-nano-sized, kogelvormige structuren die medicijnen of andere medische behandelingen kunnen vervoeren en hen kunnen beschermen tegen voortijdig afbreken in ons lichaam om hun vrijlating te helpen beheersen. Het oppervlak van de micellen wordt plakkerig bij de lichaamstemperatuur, waardoor het materiaal zich kan aggregeren of erin vormt, macroscopisch hydrogelmateriaal. Maar het is moeilijk om te bepalen hoe ze samengroeien als ze zich vormen tot vaste stoffen, zeiden de wetenschappers.

“Als je een deeltje hebt en het hele oppervlak is plakkerig, zal het samenvoegen en in feite een dichte structuur creëren met defecten die de gel bros maken,” zei Hasegawa. “Ons idee is om in plaats daarvan de deeltjes als een bouwsteen te gebruiken en te proberen een meer geordende structuur te maken.”

De fragmentarische micellen die ze hebben ontwikkeld, hebben plakkerige plekken – zoals armen die uitkomen die de materialen plaatsen geven om aan te sluiten. De patches kunnen de micellen helpen een structuur te vormen zonder defecten. En het wijzigen van het aantal van deze plakkerige pleisters kan de wetenschappers in staat stellen de structuur van de materialen te regelen en thermogels voor verschillende toepassingen te tweaken, zei Hasegawa.

“Je kunt je voorstellen dat als we het aantal van deze handen kunnen regelen, we de assemblerende aard van de materialen kunnen regelen,” zei ze. “Ons werk toonde aan dat als je de plakkerige patches verandert, je mechanische eigenschappen kunt regelen.”

De methode kan vooral aantrekkelijk zijn voor weke delen reconstructie, zoals na een chirurgie van kankerverwijdering, zei Hasegawa. In die gevallen zouden thermogels kunnen dienen als weefselsteigers, structuren die een kader bieden voor cellen om zich aan te houden en nieuw, gezond weefsel te vormen. De nieuwe materialen kunnen worden aangepast om specifieke gerichte zachte weefsels beter te matchen.

“Als u denkt aan een hydrogelmateriaal dat u in het lichaam wilt implanteren, moet u traditioneel een chirurgische procedure uitvoeren,” zei Hasegawa. “Maar een operatie kan leiden tot infecties, en mensen die te maken hebben met een ziekte of ouderen kunnen het veel moeilijker hebben om te herstellen. Als we een oplossing in vloeibare vorm kunnen injecteren, kunnen we chirurgische procedures vermijden.”

De wetenschappers zeiden dat toekomstig onderzoek nodig is om de haalbaarheid van de materialen te testen als zachte weefselvervangers/steigers in biologische systemen zoals cellen en dieren.