3D-utskriven, transplanterbara organ kan låta som science fiction, men, tack vare framsteg inom polymerkemi, de kan bli verklighet. Stimuli-känsliga hydrogeler representerar en bred klass av mjuka material som ändrar sina mekaniska egenskaper när vissa externa triggers appliceras. Förra året forskare från Jonathan Barnes labb, biträdande professor i kemi, skapat en ny sorts artificiell molekylmuskel från en polymer som ändrar färg och drar ihop sig när den utsätts för blått ljus. Liknande material lovar ett brett spektrum av applikationer, särskilt inom medicin.

Barnes började arbeta med hydrogeler för att han ville utveckla ett material som kunde ändra form, storlek, och mekaniska egenskaper när de påverkas – precis som våra muskler gör när de expanderar och drar ihop sig. "Många människor sa att vi aldrig skulle få den mängd sammandragning vi hoppades på, Barnes mindes, "men det fungerade faktiskt bättre än vi någonsin föreställt oss."

I "Reversibel hydrogelfotomönster:Rumslig och tidsmässig kontroll över gelens mekaniska egenskaper med hjälp av fotoredoxkatalys för synligt ljus, " publicerad 17 juni i tidskriften ACS tillämpade material och gränssnitt , Barnes labb presenterade en ny typ av responsiv polymer som bygger på framgången från den tidigare studien. Teamets nya arbete fokuserade på att utveckla mjuka, biokompatibla material som kan tåla tunga belastningar - material som längre fram kan vara särskilt lämpade för medicinska användningar som proteser eller transplanterbara organ.

Faheem Amir, huvudförfattare på tidningen och en postdoktor i Barnes labb, säger att den här typen av studier tar itu med en aktuell lucka i tekniken. "Celler inom levande system möter en 3D-miljö, ändå görs de flesta studier som görs på celler på 2D-material, " förklarade han. Hydrogeler som är starka, men ändå mjuk och elastisk, kan ge ett sätt för forskare som Amir att föra in celler i ett 3D-system och se hur cellerna beter sig under olika förhållanden.

Teamet designade om kemin bakom deras polymers reaktioner för att skapa nya hydrogeler med hjälp av en biokompatibel polymer. Basmaterialet, används för närvarande i kontaktlinser, möjliggör större elasticitet och kan i sin tur bättre stödja 3D-cellnätverk.

Sedan deras första framgång, teamet har arbetat för att förbättra reaktionshastigheten och dess aktiveringsmetod. Tidigare hydrogeler krävde nedsänkning i en kemisk reducerande lösning, men lagets nya material reagerar på synligt ljus genom införandet av en fotokatalysator i hydrogelnätverket. Detta heta område av kemi är känt som fotoredoxkatalys, och det har dramatiskt utökat användbarheten av Barnes labs hydrogeler.

"Vi använder fotokatalysatorn för att absorbera ljus och överföra en elektron till vår polymer, som aktiverar materialet. Så fort vi släcker ljuset och materialet utsätts för syre i den omgivande luften, det vänder på processen, Barnes förklarade. "Det är ungefär som en svamp. När vi trycker ut allt vatten, den är mindre, men sedan när du tappar den tillbaka i vattnet, det kommer att svälla upp igen. Det är samma typ av process som i naturlig, mekaniska system, som muskler."

När teamet visste att processen skulle fungera med hjälp av synligt ljus, de ville förfina sin applicering genom att lysa på och endast aktivera mycket exakta platser i gelén, inte allt. Det är fokus för denna studie:Kan den nya hydrogelen inte bara aktiveras som den gjorde i tidigare iterationer utan också göra det exakt?

Amir rapporterade framgång på flera områden. "Processen resulterade i betydande ökningar av det mjuka materialets styvhet, brottgräns, och procentuell töjning före brott, som alla lätt kan vändas genom oxidation och svullnad i vatten, " sa han. Hydrogelerna tillät också exakt rumslig upplösning och kontroll över var aktiveringarna ägde rum, vilket teamet illustrerade genom att fotomönster en amerikansk flaggdesign.

Nu när forskare i Barnes labb har rumslig kontroll över aktiveringen av hydrogelen, de kan vända sig till att optimera den för biomedicinska tillämpningar i samarbete med Washington University School of Medicine (WUSM). "Vi vet tillräckligt mycket om den grundläggande strukturen hos organ för att vi i princip borde kunna 3-D-skriva ut dem, men vi saknar material, sa Barnes.

Forskare i Barnes labb kommer härnäst att fokusera på att visa att deras hydrogeler är tillräckligt hållbara för att stödja applikationer med celler suspenderade i en 3D-matris. Att kunna aktivera specifika områden i tre dimensioner är ett nyckelsteg för att framgångsrikt växa vävnad i en 3D-cellkultur. Ytterligare förfining av materialet kommer att inkludera aktivering av det med andra våglängder av ljus, som infraröd, vilket skulle möjliggöra icke-invasiv aktivering genom mänsklig vävnad. Det slutliga målet skulle vara att skapa en injicerbar, 3-D-utskrivbar anpassad hydrogel - ett personligt "biobläck" byggt av en patients egen vävnad - som kan aktiveras selektivt genom huden, bara genom att skina ljus på den. Detta skulle möjliggöra mycket specialiserade tillämpningar inom kroppen.

"Går vidare, vi har utvecklat ett samarbete med Dr. Moe Mahjoub från WUSM där vi studerar effekterna av fotoinducerad aktivering på cellulärt beteende, " Sa Amir. Samarbetspartnerna hoppas att deras aktiverade hydrogeler kommer att kunna efterlikna mänsklig vävnad, skapa en allmän plattform för användning i otaliga applikationer. Mångsidigheten hos teamets nyckelteknologi, deras polymeriserbara tvärbindare, stödjer detta mål:Forskare kan kombinera sin tvärbindare med vilken monomer som helst för att skapa anpassade polymerer med noggrant avstämda egenskaper och mekaniska egenskaper.

"Vi tog den här idén som ingen trodde skulle fungera till den punkt där vi faktiskt visar biomedicinsk relevans med dessa material. Detta driver långt bortom grundläggande kemi, och även bortom WashU, att bygga samarbeten runt om i landet och till och med världen, " sa Barnes. Denna forskning presenterades vid American Chemical Society (ACS) möte i april förra året. Se hela presentationen av Barnes, "Muskelliknande material expanderar och drar ihop sig som svar på ljus, " från ACS Orlando 2019.