Bioingenjörer och tandläkare från UCLA School of Dentistry har utvecklat en ny hydrogel som är mer porös och effektiv för att främja vävnadsreparation och regenerering jämfört med hydrogeler som för närvarande är tillgängliga. När den väl injicerats i en musmodell, Den nya hydrogelen har visat sig inducera migration av naturligt förekommande stamceller för att bättre främja benläkning. Aktuella experimentella tillämpningar som använder hydrogeler och stamceller som introduceras i kroppen eller dyra biologiska medel kan komma med negativa biverkningar.

Resultaten, publiceras online i tidskriften Naturkommunikation , tyder på att nästa generation av hydrogelsystem inom en snar framtid kan avsevärt förbättra nuvarande biomaterialbaserade terapier för att reparera bendefekter.

Hydrogeler är biomaterial som består av ett 3D-nätverk av polymerkedjor. På grund av nätverkets förmåga att absorbera vatten och dess strukturella likheter med levande vävnad, den kan användas för att leverera celler till defekta områden för att regenerera förlorad vävnad. Dock, den lilla porstorleken hos hydrogeler begränsar överlevnaden av transplanterade celler, deras expansion och ny vävnadsbildning, vilket gör detta mindre än idealiskt för att regenerera vävnad.

Ett material som har slagit igenom inom biomaterialområdet är det naturligt förekommande mineralet, lera. Lera har blivit en idealisk tillsats till medicinska produkter utan rapporterade negativa effekter. Det har visat sig vara biokompatibelt och är lättillgängligt.

Leran är strukturerad i lager, med ytan negativ laddning. Den unika skiktade strukturen och laddningen var viktiga för forskarna eftersom deras hydrogeler hade en positiv eller motsatt laddning. När hydrogelen sattes in i lerlagren, genom en process som kallas interkaleringskemi, slutresultatet blev en lerförstärkt hydrogel med en mycket mer porös struktur som bättre kunde underlätta benbildning.

När de en gång hade sin lerförstärkta hydrogel, forskarna använde en process som kallas fotoinduktion, eller införandet av ljus, att förvandla sitt nya biomaterial till en gel, vilket skulle göra det lättare att injiceras i sin musmodell.

Musmodellen hade en icke-läkande skalldefekt, som forskarna injicerade med sin lerförstärkta hydrogel. Efter sex veckor, de fann att modellen visade betydande benläkning genom sin egen naturligt förekommande stamcellsmigration och tillväxt.

"Denna forskning kommer att hjälpa oss att utveckla nästa generation av hydrogelsystem med hög porositet och kan avsevärt förbättra nuvarande bentransplantatmaterial, " sa huvudförfattaren Min Lee, professor i biomaterialvetenskap vid UCLA School of Dentistry och medlem av Jonsson Comprehensive Cancer Center. "Vårt hydrogelsystem i nanokomposit kommer att vara användbart för många applikationer, inklusive terapeutisk leverans, cellbärare och vävnadsteknik."

Injicerbara kombinationer av levande celler och bioaktiva molekyler som använder hydrogeler skulle vara en föredragen medicinsk applikation för att behandla ohälsosamma eller skadade delar av kroppen snarare än mer invasiv kirurgi.

Framtida forskning planeras för att lära sig hur de fysikaliska egenskaperna hos nanokomposithydrogeler påverkar migrationen av celler och deras funktion, samt bildandet av blodkärl.

Andra författare till studien är den första författaren Zhong-Kai Cui, en biträdande professor i cellbiologi vid Southern Medical University i Kina; och Dr Benjamin Wu, Dr Tara Aghaloo, Jessalyn Baljon och Soyon Kim, hela UCLA.

Studien finansierades av National Institute of Dental and Craniofacial Research, National Institute of Arthritis and Musculoskeletal and Skin Diseases, det amerikanska försvarsdepartementet och MTF Biologics. Författarna har inga motstridiga intressen.