Ett av de primära målen inom området vävnadsteknik och regenerativ medicin är utvecklingen av konstgjorda ställningar som kan fungera som substitut för skadad vävnad. Dessa material måste helst likna naturlig vävnad och måste ha förmågan att stödja cellvidhäftning, proliferation och differentiering.
När man överväger ställningsmaterial tar forskarna hänsyn till ställningens egenskaper, såsom dess ytråhet, dess vattenhalt (hydratiseringstillstånd) och dess flexibilitet eller styvhet (elasticitetsmodul), eftersom dessa egenskaper är kända för att påverka celltillväxt.
Hydrogeler är biokompatibla tvärbundna polymerer med hög vattenhalt och är ett lovande ställningsmaterial för mjukvävnad. De kan utformas med olika elasticiteter, som kan matcha de mekaniska egenskaperna hos olika naturliga vävnader. Deras elasticitetsmodul är dock kopplad till deras sammansättning, vilket resulterar i en skillnad i egenskaperna mellan mjukare och hårdare hydrogeler.
För att studera den specifika effekten av hydrogelens elasticitet på celltillväxt har en forskargrupp ledd av biträdande professor Shin-nosuke Nishimura och professor Tomoyuki Koga från Doshisha University, Japan, utvecklat en hydrogel med avstämbara elasticitetsmoduler som använder samma polymerer. Resultaten av deras studie publicerades i tidskriften Advanced Material Technologies .
"Elasticitetsmodulen för hydrogeler är en av de mest avgörande faktorerna för att kontrollera cellernas öde", förklarar Dr Nishimura. Hydrogeler med olika elasticiteter framställs emellertid vanligtvis genom att byta basmonomeren och tvärbindningsmedlet. Detta påverkar inte bara elasticiteten utan också olika egenskaper, såsom hydrofilicitet och hydrofobicitet.
För att undvika detta problem designade forskarna hydrogelen utan några tvärbindningar. De använde poly(N-akryloylglycinamid) (PNAGAm) som baspolymer, en vinylpolymer med sidokedjor som bildar starka vätebindningar. Dessa bindningar bryts vid höga temperaturer och fäster igen vid lägre temperaturer, vilket ger dessa polymerer den unika förmågan att komma ihåg och återställa sin form som svar på temperaturförändringar.
För att förbättra cellvidhäftningsegenskaperna hos hydrogelen kombinerade forskarna PNAGAm-polymeren med arginin (R)-glycin (G)-asparaginsyra (D)-serin (S)-peptid genom radikal sampolymerisation. Dessa peptider representerar de cellbindningsställen som finns i kroppen och gör hydrogelen lämplig för celltillväxt.
Till skillnad från konventionella hydrogeler kan elasticitetsmodulen för den föreslagna hydrogelen justeras genom att komprimera den till olika tjocklekar vid höga temperaturer.
När de utsätts för höga temperaturer bryter vätebindningarna inuti polymeren och komprimering av hydrogelen under sådana förhållanden för polymernätverket och vätebaserade tvärbindningar närmare varandra. Denna förändring i molekylstrukturen leder till en modifiering av hydrogelens elasticitetsmodul.
Vid avkylning, på grund av återfästning av vätebindningarna, bibehåller hydrogelen både sin form och elasticitetsmodul.
Genom att använda denna metod har forskarna framgångsrikt ändrat elasticitetsmodulen för en rektangulär hydrogelstång. De komprimerade olika sektioner av hydrogelen till tjocklekar av 1 mm, 0,64 mm och 0,50 mm vid 65°C under en timme. Vid kylning till en cellodlingstemperatur på 37°C hade de icke-pressade, måttligt pressade och hårt pressade områdena elasticitetsmoduler på 9 460 Pa, 5 940 Pa respektive 3 460 Pa.
Vid sådd av hydrogelen med musembryofibroblastceller (NIH/3T3) observerade forskarna en direkt korrelation mellan hydrogelens elasticitetsmodul och antalet vidhäftade celler. I det opressade området var antalet vidhäftade celler 1,3 × 10 4 celler cm −2 , medan den i det hårt pressade området ökade till 1,9 × 10 4 celler cm −2 .
"I den här studien har vi för första gången i världen lyckats kontrollera cellvidhäftningsbeteendet genom att använda hydrogelernas formminnesegenskaper", säger Prof. Koga.
Sammanfattningsvis, genom att ändra elasticitetsmodulen samtidigt som andra egenskaper hölls konsekventa, skapade forskarna en plattform som kan användas för att undersöka elasticitetsmodulens inverkan på celltillväxt. Detta kan leda till förbättrade ställningsmaterial för vävnadsregenerering.
Mer information: Shin-nosuke Nishimura et al, Reglering av cellvidhäftning på fysiskt tvärbundna hydrogeler sammansatta av aminosyrabaserade polymerer genom att ändra elasticitetsmodulen med hjälp av formfixerings-/minnesegenskaper, avancerad materialteknik (2024). DOI:10.1002/admt.202301598
Journalinformation: Avancerad materialteknik
Tillhandahålls av Doshisha University
