För första gången har en familj av hydrogeler skapats, med unika egenskaper som gör att de kan användas i biologiska tillämpningar. Arbetet, nyligen publicerad i Polymer, kan inleda införandet av en ny klass av biofärger eller fordon för leverans av läkemedel.

Hydrogeler är nätverk av tvärbundna makromolekylära kedjor som har en mycket porös struktur som gör att de kan bli svullna av vatten. De är mjuka strukturer med ofta komplexa viskoelastiska egenskaper som kan finjusteras genom att anpassa deras kemiska komponenter och deras tvärbindningstäthet. På detta sätt, de kan anpassas för att känna och anpassa sig till förändringar i sin miljö, som temperatur, pH, tryck, ljus, eller till och med närvaron av andra kemikalier.

En välkänd familj av hydrogeler baserade på poly (etylenoxid) (PEO) sampolymerer kombinerades med en mekaniskt robust polymer känd som Nafion. Egenskaperna för de nya polymerkomplexen avslöjades med en mängd tekniker, inklusive Small Angle X-ray Scattering (SAXS) vid Small Angle Scattering and Diffraction beamline (I22) vid Diamond Light Source. Tillsatsen av Nafion visade sig dramatiskt förbättra hydrogelens mekaniska egenskaper, vilket gör dem till en lovande kandidat för en mängd olika applikationer, såsom läkemedelsfrisättningssystem och 3D-biotryck.

Injicerbara hydrogeler

En av de mest fascinerande tillämpningarna av hydrogeler är inom läkemedelsfrisättning. Hydrogeler kan finurligt justeras för att ändra sin fas från en injicerbar vätska till en gel i kroppen, som gradvis upplöses för att långsamt släppa ett inneslutet läkemedel. Fördelarna med detta är omfattande för både patienter och vårdpersonal. Vanligtvis, injicerbara hydrogeler är baserade på PEO -sampolymerer eftersom de är väl karakteriserade och har en definierad fasövergång till en gel vid kroppstemperatur. Dock, dessa hydrogeler har svaga mekaniska egenskaper och frigör läkemedel snabbt.

För att åtgärda bristerna i den aktuella våg av injicerbara, ett team av forskare från University of Central Lancashire, kombinerade dem med en mekaniskt stabil polymer känd som Nafion. Denna polymer upptäcktes i slutet av 1960 -talet och har en unik uppsättning egenskaper som har lett till dess användning som ett protonbytesmembran för bränsleceller. Eftersom dess biokompatibla och icke -toxiska natur nyligen har avslöjats, Nafion har också använts för biomedicinska tillämpningar såsom implantatbeläggningar och biosensorer.

Blandningar av Nafion

Teamet framställde blandningar av Nafion med två olika sampolymerer:E ₁₉ P ₆₉ E ₁₉ och B. ₂₀ E ₅₁₀ (där E var OCH ₂ CH ₂ , P var OCH ₂ CH (CH ₃ ) och B var OCH ₂ CH (C ₂ H ₅ ))). Nafion binder i stor utsträckning till de två sampolymererna såsom visas med en mängd olika tekniker. Samt kvarts kristall mikrobalans med dissipation övervakning (QCM-D), hybridhydrogelerna utsattes för dynamisk ljusspridning, reologi, och SAXS. Dr Antonios Kelarakis, seniorforskare vid University of Central Lancashire, och ledande utredare av studien förklarade deras tillvägagångssätt:"Vi ville inte äventyra polymerernas injicerbarhet med tillägget av Nafion, så när vi väl visste att hybridhydrogelerna hade de starka mekaniska egenskaperna vi behövde, vi använde SAXS för att utforska deras struktur. "

Vid I22, hydrogelblandningarna monterades mellan glimmerfönster i en vätskecell utrustad med ett vattenbad för temperaturkontroll. Tvådimensionella SAXS-mönster samlades in med hjälp av en Pilatus P3-2M-områdedetektor och alla mönster korrigerades för infallande strålfluktuationer samt luft- och instrumentspridning före omvandling till endimensionella profiler.

Förbättrade egenskaper

Tillsatsen av Nafion visade sig öka viskoelasticiteten hos de befintliga sampolymererna, vilket förbättrar deras mekaniska hållfasthet. Dessutom, blandningarna genomgick också skarpa och termiskt reversibla sol-gelövergångar under kroppstemperatur, vilket indikerar att de behöll sin injicerbara förmåga. Systemen testades också för deras förmåga att släppa ibuprofen, och Nafion visade sig drastiskt minska frisättningen av läkemedlet; en effekt som antas ges av en lägre porositet eller starkare matris-läkemedelsinteraktioner. Dr Kelarakis utarbetade dessa upptäckter, "Förutom ett fordon för mediciner, detta polymerkomplex kan användas som biofärg för 3D-utskrift eftersom det lätt omvandlas från en vätska till en gel. Det finns för närvarande få material för denna teknik, men vi har visat att vi kan göra ett lovande material som tål mycket stress. "

Nästa steg för denna fascinerande forskning är en fullständig undersökning av utvecklingen av hydrogelkomplexet under stress, som kommer att åstadkommas in situ med hjälp av en reometer på I22. Teamet syftar till att utforska effekterna av Nafion på andra polymerer och tänker också introducera nanopartiklar till hydrogelerna, så att de kan användas för bioimaging. Förhoppningen är att bildmolekyler långsamt kan släppas till kroppen nära platsen av intresse (t.ex. ett sår) för att belysa utvalda fysiologiska komponenter.