I en ny studie, publicerad online i tidskriften American Chemical Society (ACS) Tillämpade polymermaterial , Forskare vid Texas A&M University rapporterade att de har designat ett hydrogelmembran som kan användas för att inrymma optiska glukosavkänningsmaterial, mot att bygga en biosensor för att övervaka sockernivåer hos diabetiker.

Genom att införliva dinglande, molekylkedjor av kamtyp i en typ av hydrogel som kallas poly(N-isopropylakrylamid) eller förkortat poly NIPAAm, de visade att membranet kunde förhindra läckage av små molekyler, som de för glukosavkänning, medan det fortfarande låter glukos fritt diffundera in och ut.

När redo för klinisk användning, forskarna sa att dessa membran kan användas för att bilda biosensorer som enkelt kan implanteras under huden på handleden och kan erbjuda ett bekvämare alternativ till transdermala implantat, som sitter delvis utanför huden. Dessutom, till skillnad från transdermala implantat som behöver bytas med några veckors mellanrum, denna typ av subkutana implantat behöver kanske bara bytas ut med några månaders mellanrum.

"Vi har gjort mycket arbete med hydrogelmaterial och tittat på mekaniska egenskaper och främmande kroppsreaktioner, men vårt stora mål har alltid varit att använda poly NIPAAm-membran för att bygga en subkutan glukosbiosensor, " sa Dr Melissa Grunlan, professor och innehavare av Charles H. och Bettye Barclay-professuren vid institutionen för biomedicinsk teknik. "I den här studien, vi har kunnat finjustera diffusionsegenskaperna hos dessa hydrogeler som vi tidigare har identifierat som en lovande kandidat för att bygga långsiktigt fungerande glukosbiosensorer."

Poly NIPAAms är en klass av organiska hydrogeler som har en mjuk konsistens, som kontaktlinser. En av deras attraktiva egenskaper är att de kan genomgå cyklisk svullnad och avsvällning med små temperaturfluktuationer i kroppen. Eftersom deras yta förändras dynamiskt med temperaturen, de avskräcker vidhäftning av celler och biomolekyler. Denna aktiva, självrengörande mekanism gör poly NIPAAm hydrogeler tilltalande för implantat eftersom de minimerar attacken från immunsystemet.

För att använda poly NIPAAm-membranet för att övervaka blodsockret, den måste innehålla tillräckligt med glukosavkännande molekyler eller analyser. Vidare, hydrogelens livslängd beror också på membranets förmåga att behålla dessa analysmolekyler utan att de läcker ut.

"Tänk på NIPAAm-hydrogelen som en stickad tröja där mellanrummen mellan maskorna bildas av korsningsstygnen. Just nu, dessa utrymmen eller fönster i hydrogelerna är för stora, låter analysmolekylerna gå rakt igenom, " sa Grunlan. "Om analyserna fortsätter att läcka ut på det här sättet, vi kommer inte att ha en lång fungerande sensor."

Därför, Grunlan och hennes team fokuserade sina ansträngningar på att finjustera egenskaperna hos poly NIPAAm för att begränsa läckaget av glukosavkännande molekyler samtidigt som glukosen fritt kunde diffundera genom hydrogelen.

För att minska storleken på luckorna, forskarna satte in dinglande molekyler med olika laddningar, längder och koncentrationer till poly NIPAAm-hydrogelen. När det införlivas i hydrogelen, dessa molekyler skapar kamformade barriärer, vars tänder är utformade för att blockera diffusion av små analysstora molekyler. För att testa om denna kamliknande arkitektur kan begränsa diffusion av glukossensorer, de lägger också i hydrogelen, fluorescensmärkta molekyler som kallas dextraner, som fungerade som proxy för glukosavkännande molekyler. Nästa, de placerade hydrogelen i vatten och mätte mängden fluorescens i vattnet på grund av läckage av dextraner från hydrogelen.

Forskarna fann att när de använde en negativt laddad molekyl som kallas poly(2-akrylamido-2-metyl-1-propansulfonsyra) eller PAMP, kammarna förhindrade diffusion av dextraner. Vidare, de observerade också att glukosmolekyler var obehindrade i deras flöde in och ut ur hydrogelen.

Grunlan noterade att nu när de har proof-of-concept att deras hydrogeler kan stoppa läckage av små dextraner, nästa steg i deras forskning skulle vara att bygga en biosensor med glukosavkännande molekyler inuti membranet.

"Även om vår nuvarande studie inte involverade faktiska avkänningsmolekyler, den visar dig mycket övertygande och exakt vad kamarkitekturer kan göra för hydrogeler för att begränsa diffusion, ", sa Grunlan. "Detta var en systematisk studie för att visa effektiviteten av vårt tillvägagångssätt och möjligheten att utvidga våra resultat till andra forskningsområden än glukosavkänning för vilka hydrogeler med begränsad diffusion måste utformas."