Biomedicinska ingenjörer vid Duke University har visat att en klass av sammanvävda kompositmaterial som kallas semi-interpenetrerande polymernätverk (sIPN) kan produceras av levande celler. Tillvägagångssättet skulle kunna göra dessa mångsidiga material mer biologiskt kompatibla för biomedicinska applikationer som tidsfördröjda läkemedelsleveranssystem.

Forskningen visas online den 8 juni i tidskriften Naturkommunikation .

Konceptet med sIPN har funnits i mer än 100 år och har använts i bildelar, medicinska apparater, formmassa och teknisk plast. Den allmänna tanken är att en eller flera polymerer ska monteras runt en annan polymerställning på ett sådant sätt att de blir sammankopplade. Även om polymererna inte är kemiskt bundna, de kan inte dras isär och bilda ett nytt material med egenskaper större än den enkla summan av dess delar.

Traditionella metoder för tillverkning av sIPNs involverar vanligtvis att tillverka de beståndsdelar som kallas monomerer och blanda dem under de rätta kemiska förhållandena för att kontrollera deras sammansättning till stora nätverk i en process som kallas polymerisation.

"När det fungerar, det är en fantastisk plattform som kan införliva olika funktioner i det självmonterade lagret för biomedicinska eller miljömässiga tillämpningar, " sa Lingchong You, professor i biomedicinsk teknik vid Duke. "Men processen är ofta inte så biokompatibel som du kanske vill. Så vi tänkte varför inte använda levande celler för att syntetisera det andra lagret för att göra det så biokompatibelt som möjligt?"

I den nya tidningen, Zhuojun Dai, en tidigare postdoc i You-labbet som nu är docent vid Shenzhen Institute of Synthetic Biology, använder en plattform som labbet har utvecklat i flera år kallad 'swarmbots' för att göra just detta.

Svärmbottarna är levande celler som är programmerade att producera biologiska molekyler inom sina väggar och sedan explodera när deras population når en viss täthet. I detta fall, de är programmerade att producera monomerer som kallas elastinliknande polypeptider (ELP) sammansmälta med funktionella egenskaper som kallas SpyTag och SpyCatcher. Dessa två molekylära strukturer bildar ett lås-och-nyckel-system, gör att ELP:erna kan självmontera till en polymerkedja när de blandas. När de växer, dessa polymerer trasslar ihop sig med de polymera mikrokapslarna som innehåller cellerna för att bilda sIPNs.

Varje monomer kan innehålla flera SpyTags eller SpyCatchers och kan även fusioneras till proteiner som genererar en avläsning eller har specifika funktioner. Det är ungefär som att göra ett kedjelänksstängsel av många små charmarmband som har plats för spännen och berlocker.

Forskarna programmerar först cellerna för att fylla denna tillbehörsfunktion med ett fluorescerande protein för att bevisa att systemet kan låsa dem på plats. Efter den lyckade demonstrationen, de riktar sin uppmärksamhet mot att konstruera ett användbart läkemedelsleveranssystem med sin nya uppfinning.

"Du kan byta ut den fluorescerande markören med allt som har en funktion du vill ha, " sa du. "Vi bestämde oss för att ta på antibiotika eftersom det är ett av de andra fokuserna i vårt labb."

Beta-laktam antibiotika, såsom penicillin och dess derivat, är några av de mest använda antibiotika i världen. De är också ofta överanvända och kan ha negativa effekter som att förstöra den naturliga mikrobiomet som lever i våra tarmar.

För att demonstrera ett sätt på vilket deras nya cellbyggda sIPN kan vara användbara, forskarna fyller den tillbehörsbara platsen med beta-laktamas, som kan bryta ner betalaktamantibiotika. Genom att injicera de nyligen funktionaliserade sIPN:erna i möss, forskarna visade att plattformen långsamt kunde frigöra den annars kortlivade skyddande molekylen för att hjälpa mössens tarmmikrobiomer att avvärja negativa biverkningar från antibiotika.

"Ingen har använt levande celler som en fabrik för att producera monomerer i realtid för sIPNs tidigare, " sa du. "Demonstrationen av principbevis visar att, inte bara kan vi tillverka dessa typer av funktionella material med levande celler, men de kan uppvisa medicinskt relevanta funktioner."