Att producera biomaterial som matchar brosks och senors prestanda har varit ett svårfångat mål för forskare, men ett nytt material skapat på Cornell visar ett lovande nytt tillvägagångssätt för att efterlikna naturlig vävnad.

Resultaten publicerades den 8 juli i Proceedings of the National Academy of Sciences , och tillhandahålla en ny strategi för att syntetisera kliniska lösningar för skadad vävnad.

Vävnaden måste vara tillräckligt mjuk för att böjas och böjas, men tillräckligt tålig för att tåla långvarig belastning - till exempel vikten som en knäsena måste stödja. När vävnad slits ut eller skadas har kollagenhydrogeler och syntetiska material potential att fungera som ersättningar, men ingen av dem har ensam den rätta kombinationen av biologiska och mekaniska egenskaper hos naturlig vävnad.

Nu har Cornell-forskare konstruerat ett biohybridkompositmaterial med de väsentliga egenskaperna hos en naturlig vävnad. Materialet består av två huvudingredienser:kollagen – vilket ger materialet dess mjukhet och biokompatibilitet – och en syntetisk zwitterjonisk hydrogel, som innehåller positivt och negativt laddade molekylära grupper.

"Dessa laddningsgrupper interagerar med de negativt och positivt laddade grupperna i kollagenet, och denna interaktion är det som gör det möjligt för materialen att avleda energi och uppnå höga nivåer av seghet", säger Lawrence Bonassar, Daljit S. och Elaine Sarkaria professor i biomedicinsk teknik. i College of Engineering och medförfattare till studien.

Biohybridkompositen närmar sig prestanda hos ledbrosk och andra biologiska vävnader, och har 40 % mer elasticitet och 11 gånger frakturenergin – ett mått på hållbarhet – för det zwitterjoniska materialet i sig.

Nikolaos Bouklas, biträdande professor vid Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering och medförfattare till studien, sa att materialets biokompatibilitet innebär att det kan rekrytera celler och hålla dem vid liv.

"I slutändan vill vi skapa något för regenerativa medicinändamål, till exempel en bit ställning som kan motstå vissa initiala belastningar tills vävnaden återskapas helt", sa Bouklas. "Med det här materialet kan du 3D-printa en porös ställning med celler som så småningom kan skapa den faktiska vävnaden runt ställningen."

Dessutom är biohybridmaterialet självmonterande när de två ingredienserna blandas, sa Bouklas, vilket skapar "samma sammankopplade nätverk av kollagen som ses i naturligt brosk, som annars skulle vara extremt svårt att producera."

Forskningen samlade fyra forskningslabb från tre olika institutioner. Kollagenet som användes i biohybridkompositen hade redan varit under utveckling i Bonassars labb, medan den zwitterjoniska hydrogelen utvecklades av studiens medförfattare Robert Shepherd, docent vid Sibley-skolan, och Emmanuel Giannelis, professorn Walter R. Read i teknik. vid Institutionen för materialvetenskap och teknik.

Studiens författare fortsätter att forska om materialet och de molekylära processerna bakom dess syntes. Bonassar sa att materialet är väl lämpat för den typ av bioprinting som var banbrytande i hans labb, och författarna har börjat experimentera med att använda det som ett 3D-utskriftsmaterial. + Utforska vidare

Konstgjort brosk under spänning lika starkt som naturligt material