Hydrogeler finns överallt. De är vattenälskande polymerer som kan absorbera och hålla kvar vatten, och kan hittas i sådana vardagliga konsumentprodukter som mjuka kontaktlinser, engångsblöjor, vissa livsmedel, och även i jordbrukstillämpningar. De är också extremt användbara i flera medicinska tillämpningar på grund av deras höga grad av biokompatibilitet och deras förmåga att så småningom brytas ned och återupptas i kroppen.

Dessa egenskaper tillåter hydrogeler att simulera levande vävnad för vävnadsersättning eller regenerering. En av de mest användbara av dessa applikationer är för att läka sår. Hydrogeler är idealiska för detta ändamål, med sin förmåga att återfukta och bilda en fuktig och stödjande miljö. Detta underlättar processer som är fördelaktiga för sårläkning, som bildning av blodkärl, nedbrytning av död vävnad, aktivering av immunceller, förebyggande av levande cell- och vävnadsdöd och till och med lindring av smärta.

Naturliga hydrogeler, särskilt gelatin metakryloyl (GelMA) hydrogeler, är gynnade för sårläkning på grund av deras biosäkerhet och exceptionella biokompatibilitet. Men deras användning hämmas av deras inneboende dåliga mekaniska egenskaper som begränsad stretchighet, relativ sprödhet och oflexibilitet, och deras oförmåga att fästa på vävnadsytor. För att förbättra dessa egenskaper, variationer på beredningsmetoder och komponenter har försökts.

När en GelMA hydrogel framställs, en lösning av gelatin görs genom att blanda och lösa gelatin i vatten. Detta resulterar i en dispersion av gelatinpolymerkedjor i vattnet. En kemikalie som kallas fotoinitiator tillsätts sedan till lösningen, vilket gör polymerkedjorna klibbiga och gör att de kan fästa vid varandra. Exponering för UV-ljus aktiverar fotoinitiatorerna och polymerkedjorna tvärbinds till varandra för att bilda ett nätverk. Vattenmolekyler kommer in i detta nätverk, sträcka ut kedjorna och bli låsta i dem; detta illustrerar hydrogelernas absorptionsförmåga och är punkten där gelning, eller stelning, inträffar.

Egenskaperna hos denna gel kan modifieras genom att tillsätta kemikalier som binder till polymerkedjorna före UV-exponering, eller själva UV-parametrarna kan varieras för att justera gelens egenskaper. Vissa av dessa modifieringar har experimenterats med i tidigare försök att förbättra GelMAs fysikaliska egenskaper.

Ett tillvägagångssätt var att införa ytterligare kemikalier i GelMA-lösningen före tvärbindning; den resulterande kemiskt konjugerade hydrogelen visade en liten förbättring i vävnadsvidhäftning. Andra försök har gjorts för att stärka GelMA genom att förstärka flexibla tunna kemiskt konjugerade GelMA-filmer med ytterligare kemikalier. Men utmaningarna kvarstår med att förbättra de tre mekaniska egenskaperna för seghet, stretchighet, och vidhäftningsstyrka samtidigt i GelMA hydrogeler.

Ett samarbetsteam från Terasaki Institute for Biomedical Innovation (TIBI) har utvecklat metoder för att förbättra alla dessa tre egenskaper i GelMA hydrogeler i en enkel procedur med avstämbara tillverkningsparametrar.

Forskarna vände sig först till ett exempel som finns i naturen i deras tillvägagångssätt för att förbättra vidhäftningen i hydrogelerna. Marinmusslor utsöndrar starka trådar som används som fästen och draglinor på stenar och andra oregelbundna ytor. För att bilda dessa trådar, musslorna producerar vidhäftningsproteiner i en sur miljö; vid exponering för det lätt alkaliska havsvattnet, proteinerna genomgår en kemisk förändring som sporrar trådbildning.

På motsvarande sätt, TIBI-teamet tillsatte stora mängder dopamin, en kemisk analog till musselvidhäftningsprotein, till GelMA för att öka sin styrka, stretchighet, och vidhäftningsegenskaper. De utsatte också blandningen för alkaliska förhållanden för att ytterligare öka GelMA:s vidhäftningsstyrka.

Resultaten visade att tillsatsen av stora mängder dopamin till GelMA-lösningen kunde öka stretchigheten hos den resulterande hydrogelen med nästan sex gånger och dess styrka med mer än tre gånger. Andra experiment visade att när dopaminet utsätts för alkaliska betingelser före tvärbindningssteget, vidhäftningsstyrkan kunde ökas upp till fyra gånger och dess motståndskraft mot skjuvkrafter med nästan sju gånger.

"Experimenten vi har genomfört ger värdefull insikt i procedurer för aktivering av seghet och vidhäftning i GelMA-baserade hydrogeler, sade Hossein Montazarian, Ph.D., första författare till projektet.

Forskarna kommer att fortsätta att experimentera med andra kemikalier för att optimera deras effekter på GelMAs mekaniska egenskaper. Detta kan leda till förbättringar av ytterligare applikationer såsom hudmonterbara bärbara enheter eller helande och regenerativa interna implantat.

"Kunskapen som erhålls här om de grundläggande mekaniska egenskaperna hos hydrogeler kan ha långtgående effekter på biomedicinska tillämpningar, sa Ali Khademhosseini, Ph.D., TIBI:s direktör och VD. "Det är ett av många exempel på effektfull forskning från vår biomaterialplattform."