Według naukowców z Penn State, biomateriał, który może naśladować pewne zachowania w tkankach biologicznych, może rozwijać medycynę regeneracyjną, modelowanie chorób, robotyki miękkiej i nie tylko.
Materiały utworzone do tego punktu do naśladowania tkanek i matryc pozakomórkowych (ECM) – biologiczne rusztowanie białek i cząsteczek, które otaczają i wspierają tkanki i komórki – miały ograniczenia, które utrudniają ich praktyczne zastosowania, według zespołu. Aby przezwyciężyć niektóre z tych ograniczeń, naukowcy opracowali bio „żywy” materiał, który obejmuje właściwości samoleczenia i naśladuje biologiczną reakcję ECM na naprężenie mechaniczne.
Opublikowali swoje wyniki w horyzontach materiałowych, w których badania zostały również przedstawione na okładce czasopisma.
„Opracowaliśmy materiał bezkomórkowy-lub bezkomórkowy-który dynamicznie naśladuje zachowanie ECM, które są kluczowymi elementami tkanek ssaków, które są kluczowe dla struktury tkankowej i funkcji komórkowych”-powiedział korespondent Amir Sheikhi, profesor nadzwyczajny. Inżynieria chemiczna i Dorothy Foehr Huck i J. Lloyd Hucka Wczesna kariera w biomateriałach i inżynierii regeneracyjnej.
Według naukowców wcześniejsze iteracje ich materiału-hydrożel lub sieć polimerów bogatej w wodę-były syntetyczne i brakowało pożądanej kombinacji mechanicznej reakcji i biologicznej mimiki ECM.
„W szczególności materiały te muszą powtórzyć nieliniowe styfowanie odkształceń, czyli wtedy, gdy sieci ECM sztywnieją pod napięciem spowodowane siłami fizycznymi wywieranymi przez komórki lub bodźce zewnętrzne”, powiedział Sheikhi, wyjaśniając, że nieliniowe strzępienie odkształceń jest ważne dla zapewnienia wsparcia strukturalnego i ułatwiania komórki komórkowej sygnalizacja. „Materiały muszą również odtworzyć właściwości samopomoczykowe niezbędne do struktury tkankowej i przeżycia. Wcześniejsze syntetyczne hydrożele miały trudności z równoważeniem złożoności materiału, biokompatybilności i mechanicznej mimiki ECM”.
Zespół zajął się tymi ograniczeniami, opracowując hydrożele żywe nanokompozytu (Livgels) wykonane z „owłosionych” nanocząstek. Nanocząstki składają się z nanokryształów lub „nlinkerów” z nieuporządkowanymi łańcuchami celulozowymi lub „włosami” na końcach. Te włosy wprowadzają anizotropię, co oznacza, że nlinkerzy mają różne właściwości w zależności od ich orientacji kierunkowej i umożliwiają dynamiczne wiązanie z sieciami biopolimerowymi. W tym przypadku nanocząstki związane z biopolimeryczną matrycą zmodyfikowanego alginianu, który jest naturalnym polisacharydem występującym w brązowych algach.
„Te nlinkery tworzą dynamiczne wiązania w matrycy, które umożliwiają zachowanie związane z obsługą odkształcenia, to znaczy naśladując reakcję ECM na stres mechaniczny; i właściwości samoleczenia, które przywracają integralność po uszkodzeniu”, powiedział Sheikhi, zauważając, że naukowcy zastosowali testy reologiczne, Co mierzy sposób, w jaki materiał zachowuje się pod różnymi stresorami, aby zmierzyć, jak szybko żyjące w sobie odzyskały swoją strukturę po wysokim odkształceniu. „To podejście projektowe pozwoliło na dostrojenie właściwości mechanicznych materiału do właściwości naturalnych ECM”.
Krytycznie, powiedział Sheikhi, materiał ten jest całkowicie wykonany z materiałów biologicznych i unika syntetycznych polimerów z potencjalnymi problemami z biokompatybilnością. Oprócz ograniczania ograniczeń wcześniej opracowanych materiałów, Livgels osiągają podwójne cechy nieliniowej mechaniki i samoleczenia bez poświęcania integralności strukturalnej. NLINKERS CELIFICZNIE ułatwiają dynamiczne interakcje, które umożliwiają precyzyjną kontrolę właściwości sztywności i odkształcenia. Podejście do projektowania przekształca masę, statyczne hydrożele w dynamiczne hydrożele, które ściśle naśladują ECM.
Potencjalne zastosowania obejmują rusztowanie w zakresie naprawy i regeneracji tkanek w medycynie regeneracyjnej, symulując zachowanie tkankowe w testowaniu leków i tworzenie realistycznych środowisk do badania postępu choroby. Naukowcy stwierdzili, że można go również stosować do konfigurowalnych hydrożeli w bioprintingu 3D lub do opracowywania miękkiej robotyki o elastycznych właściwościach mechanicznych.
„Nasze kolejne kroki obejmują optymalizację Livgels pod kątem określonych typów tkanek, badanie zastosowań in vivo do medycyny regeneracyjnej, integracja Livgels z platformami bioprintingowymi 3D i badanie potencjału w dynamicznych urządzeniach do noszenia lub wszczepialnych urządzeniach” – powiedział Sheikhi.
Roya Koshani, inżynieria chemiczna postoktorancka w Penn State, i Sina Kheirabadi, doktorant w dziedzinie inżynierii chemicznej w Penn State, byli współautorami artykułu. Sheikhi jest również powiązane z działami inżynierii biomedycznej, chemii i neurochirurgii oraz z Huck Institutes of the Life Sciences.
Wsparcie dla tych badań zostało udzielone przez Penn State, w tym z: Dorothy Foehr Huck i J. Lloyd Hucka Wczesnego przewodniczącego kariery; Centrum konwergencji dla żywych wielofunkcyjnych systemów materialnych oraz klaster życia doskonałości, systemy materiałów adaptacyjnych i energetycznych żywych materiałów wielofunkcyjnych Materiałów Wspólnych Badań; Instytut Badań Materiałów; a College of Engineering Materials ma znaczenie na poziomie nasion na poziomie ludzkim.