Hydrogeler är mångsidiga biomaterial som erövrar ett ökande antal biomedicinska områden. Bestående av vattensvällda molekylära nätverk som kan skräddarsys för att efterlikna de mekaniska och kemiska egenskaperna hos olika organ och vävnader, kan de samverka inuti kroppen och på dess yttre ytor utan att orsaka skada på ens de mest känsliga delarna av den mänskliga anatomin.
Hydrogeler används redan i klinisk praxis för terapeutisk leverans av läkemedel för att bekämpa patogener; som intraokulära linser och kontaktlinser, och hornhinneproteser inom oftalmologi; bencement, sårförband, blodkoagulerande bandage och 3D-ställningar inom vävnadsteknik och regenerering.
Att fästa hydrogelpolymerer snabbt och starkt till varandra har dock förblivit ett otillfredsställt behov eftersom traditionella metoder ofta resulterar i svagare vidhäftning efter längre vidhäftningstider än önskat, och förlitar sig på komplexa procedurer.
Att uppnå snabb vidhäftning av polymerer kan möjliggöra många nya tillämpningar, inklusive till exempel hydrogeler vars styvhet kan finjusteras för att bättre anpassa sig till specifika vävnader, inkapsling på begäran av flexibel elektronik för medicinsk diagnostik eller skapandet av självhäftande vävnadsomslag för svårbandagerade delar av kroppen.
Nu har forskare vid Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering vid Harvard University och Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) skapat en enkel och mångsidig metod för att omedelbart och effektivt binda samman lager gjorda av samma eller olika typer av hydrogeler och andra polymera material, med en tunn film av kitosan:ett fibröst, sockerbaserat material som härrör från de bearbetade yttre skelett av skaldjur.
Forskarna tillämpade framgångsrikt sitt nya tillvägagångssätt på flera olösta medicinska problem, inklusive lokal skyddande kylning av vävnader, försegling av kärlskador och förebyggande av oönskade "kirurgiska sammanväxningar" av inre kroppsytor som inte ska fästa vid varandra. Resultaten publiceras i Proceedings of the National Academy of Science .
"Chitosan-filmer med sin förmåga att effektivt montera, finjustera och skydda hydrogeler i och utanför kroppen, öppnar många nya möjligheter att skapa enheter för regenerativ medicin och kirurgisk vård", säger senior författare och grundande Wyss Institute Core Faculty-medlem David Mooney , Ph.D.
"Snabbheten, lättheten och effektiviteten med vilken de kan appliceras gör dem till mycket mångsidiga verktyg och komponenter för in vivo monteringsprocesser på ofta korta tidsfönster under operationer, och den enkla tillverkningen av komplexa biomaterialstrukturer i tillverkningsanläggningar", säger Mooney som också är Robert P. Pinkas familjeprofessor i bioteknik vid SEAS.
Under de senaste åren har Mooneys team vid Wyss Institute och SEAS utvecklat "Tough Adhesives", en samling av regenerativa medicinmetoder som använder sträckbara hydrogeler för att underlätta sårläkning och vävnadsregenerering genom att starkt hålla sig till våta vävnadsytor och anpassa sig till vävnadernas mekaniska egenskaper.
"Precis formulerade Tough Adhesives och icke-adhesiva hydrogeler ger oss och andra forskare nya möjligheter att förbättra patientvården. Men för att ta deras funktionalitet ett eller till och med flera steg längre, ville vi kunna kombinera två eller flera hydrogeler i mer komplexa sammansättningar. och att göra detta snabbt, säkert och i en enkel process", säger medförfattaren och tidigare Wyss Research Associate Benjamin Freedman, Ph.D., som ledde flera utvecklingar av Tough Adhesive tillsammans med Mooney.
"Befintliga metoder för att omedelbart binda hydrogeler eller elastomerer hade slående nackdelar eftersom de förlitade sig på giftiga lim, den kemiska funktionaliseringen av deras ytor eller andra komplexa procedurer."
Genom en biomaterialscreening-metod identifierade teamet överbryggande filmer helt gjorda av kitosan. Kitosan är en sockerhaltig polymer som enkelt kan tillverkas av skaldjurens kitinskal och som redan har hittat sin väg till omfattande kommersiella tillämpningar. Till exempel används det för närvarande för att behandla frön och som ett biobekämpningsmedel i jordbruket, för att förhindra förstörelse vid vinframställning, i självläkande färgbeläggningar och i medicinsk sårbehandling.
Teamet fann att kitosanfilmer uppnådde snabb och stark bindning av hydrogeler genom kemiska och fysikaliska interaktioner som skiljer sig från de som är involverade i traditionella hydrogelbindningsmetoder.
Istället för att skapa nya kemiska bindningar baserade på delning av elektroner mellan individuella atomer (kovalenta bindningar), inducerad av en liten förändring i pH, absorberar kitosans sockersträngar snabbt vatten som finns mellan hydrogelskikten och trasslar in sig med polymerbestånden av hydrogeler och bildar flera bindningar via elektrostatiska interaktioner och vätebindning (icke-kovalenta bindningar).
Detta resulterar i adhesiva krafter mellan hydrogeler som avsevärt överstiger de som skapas genom traditionella hydrogelbindningsmetoder.
För att visa på bredden av potentialen i deras nya metod fokuserade forskarna på mycket olika medicinska utmaningar. De visade att Tough Adhesives modifierade med kitosanfilmer nu lätt kunde lindas runt cylindriska former som ett skadat finger som självhäftande bandage för att ge förbättrad sårvård. På grund av den höga vattenhalten i kitosanbundna hydrogeler tillät deras applicering också lokal kylning av underliggande mänsklig hud, vilket i framtiden kan leda till alternativa brännskador.
Forskarna lindade också hydrogeler (tuffa geler) vars ytor modifierades med tunna kitosanfilmer sömlöst runt tarm, senor och perifer nervvävnad utan att binda till själva vävnaderna.
"Det här tillvägagångssättet erbjuder möjligheten att effektivt isolera vävnader från varandra under operationer, som annars kan bilda "fibrotiska sammanväxningar" med ibland förödande konsekvenser. Deras förebyggande är ett otillfredsställt kliniskt behov som kommersiella teknologier inte kan tillgodose tillräckligt ännu," förklarade Freedman.
I en annan applikation applicerade de en tunn kitosanfilm på en seg gel som redan var placerad på en skadad grisaorta ex vivo som ett sårförseglingsmedel för att öka den totala styrkan hos bandaget, som exponerades för de cykliska mekaniska krafterna från blodet som pulserar igenom fartyget.
"De många möjligheter som uppstår från denna studie av Dave Mooneys grupp lägger till en ny dimension till konstruktionen av biomedicinska hydrogelanordningar, vilket kan leda till eleganta lösningar för akuta ouppfyllda problem inom regenerativ och kirurgisk medicin som många patienter kan dra nytta av", säger Wyss Founding Direktör Donald Ingber, M.D., Ph.D., som också är Judah Folkman professor i vaskulär biologi vid Harvard Medical School och Boston Children's Hospital, och Hansjörg Wyss professor i bioinspirerad teknik vid SEAS.
Ytterligare författare på studien är den första författaren Juan Cintron Cruz, Mathew Lee och James Weaver vid Wyss Institute och SEAS; Phoebe Kwon, Haley Jeffers och Daniel Kent på SEAS; och Kyle Wu vid Beth Israel Deaconess Medical Center i Boston.
Mer information: Omedelbar tuff vidhäftning av polymernätverk, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2304643121. doi.org/10.1073/pnas.2304643121
Journalinformation: Proceedings of the National Academy of Sciences
Tillhandahålls av Harvard University
