Janus självhäftande hydrogeler har lovande tillämpningar inom hälsovårdsområden. Ändå hade en enkel metod för att syntetisera materialet ännu inte biokonstruerats i labbet.
I en ny studie som nu publicerats i Science Advances , Huowen Chen och ett forskarlag i Kina utarbetade en enkel metod för att framställa Janus-hydrogeler baserad på fundamentala fenomen inklusive självaggregering av ytaktiva ämnen vid höga koncentrationer vid luft/vatten-gränsytan.
Teamet kombinerade en liten mängd natrium-alfa-linoleat med akrylamid genom fri radikal polymerisation och syntetiserade Janus adhesiva hydrogeler. Dessa konstruktioner visade anmärkningsvärd vidhäftningsstyrka, kemiska egenskaper och ytmorfologi, vilket teamet undersökte med hjälp av simuleringar av molekylär dynamik för att förstå mekanismerna för biomaterialets egenskaper.
Tredimensionella nätverksmaterial av hydrogeler är främst gjorda av hydrofila polymerkedjor som innehåller en stor mängd vatten. Tack vare sin utmärkta biokompatibilitet, vätningsegenskaper och flexibilitet är materialen väl lämpade inom biomedicin.
För att åstadkomma detta måste hydrogeler ha goda adhesiva egenskaper med biologisk vävnad. Bioingenjörer har nyligen designat självhäftande hydrogeler genom att introducera värd-gäst supramolekylära, aminosyra- och nukleinsyragrupper. Janus-hydrogeler kan skapas med kemiska eller fysikaliska skillnader mellan hydrogelens över- och undersida, genom blötläggningsmetoder, stegvis syntes eller formgjutning.
Som ett resultat är det avgörande att utveckla en enkel, effektiv och kostnadseffektiv miljövänlig beredningsmetod för att applicera Janus adhesiva hydrogeler. I detta arbete föreslog Chen och kollegor en ny studie för att syntetisera Janus adhesiva hydrogeler genom att utforska deras gränssnittsvidhäftning.
Under experimenten använde de ett växthärlett omättat fettsyraderivat kombinerat med kommersiell monomer akrylamid, miceller och natrium-alfa-linoleat som baskomponenter. Den föreslagna metoden är en första-i-studie plan för att övervinna utmaningarna med Janus hydrogelproduktion och uppskalning av adhesiv hydrogelproduktion.
Förbereder Janus-hydrogelerna
Forskargruppen designade Janus adhesiva hydrogeler genom att reglera olika egenskaper mellan varje yta av materialet, inklusive dess morfologi, kemiska sammansättning och hydrofilicitet.
Först löste de den ytaktiva monomeren i avjoniserat vatten för att skapa en transparent homogen lösning med en koncentration högre än den kritiska micellkoncentrationen. Därefter tillsatte teamet en monomer akrylamid och metylen-bis-akrylamid för att förbereda hydrogelen och utförde en serie kemiska karakteriseringar på ytan och botten av hydrogelen med hjälp av Fourier-transform infraröd spektroskopi.
Forskarna noterade starka karakteristiska absorptionstoppar i förhållande till den funktionella ammoniakgruppen och den funktionella karbonylgruppen. De verifierade dessa resultat med Raman-spektroskopi för att indikera friradikalpolymerisation av monomeren under bildningen av hydrogelen.
Ytterligare experiment
Forskarna genomförde molekylära dynamikstudier för att identifiera fördelningen av biomaterialkonstruktioner och visa de aggregerade molekylerna vid luft-vattengränsytan under ytspänning och termiska drivkrafter. Resultaten visade hur den kemiska sammansättningen av materialet varierade över ytorna för att bidra till dess morfologi och hydrofilicitet.
Teamet genomförde transmissionselektronmikroskopi för att avslöja materialets distinkta kemiska sammansättning och fysikaliska morfologi, med tydlig inverkan på deras vidhäftningsegenskaper för att undersöka hydrogelens mekaniska och adhesiva egenskaper.
Eftersom den biokonstruerade konstruktionen är en tryckkänslig självhäftande hydrogel, uppnådde forskarna tillräckliga vidhäftningsegenskaper genom att underlätta god kontakt med materialsubstratet. När innehållet av natrium-alfa-linoleat ökade, minskade de kompressionsmoduler för hydrogelsignaleringen, för att underlätta en kompressionsmodul för hydrogelen.
Även om låg kompression av materialet säkerställde dess vidhäftning, krävde det goda dragegenskaper för att justera materialets fysiska egenskaper och uppnå optimal prestanda. De totala experimentella resultaten bekräftade hypotesen att det ytaktiva medlet av natrium-alfa-linoleat bildade olika fördelningar i hydrogelen genom ytspänning och förångningseffekter för att skapa ett vidhäftande Janus-hydrogelmaterial. Konstruktionens beståndsdelar erbjöd starka vidhäftningsegenskaper och långvarig prestanda.
Karakterisera materialets biokompatibilitet
Chen och kollegor karakteriserade hydrogelerna för en rad medicinska tillämpningar och säkerställde deras biokompatibilitet genom att noggrant överväga två stora ofarliga komponenter enligt tidigare studier.
Teamet validerade resultaten genom att utföra biokompatibilitetstester med humana hudfibroblastceller med hjälp av en transwell-analys och via direktkontakt med hydrogelmaterial. Efter ytterligare studier uppvisade hydrogelerna inte toxicitet mot hudens fibroblastceller för att framhäva utmärkt biokompatibilitet med stor potential för en mängd olika biomedicinska applikationer inklusive läkemedelstillförsel och hudreparation.
På detta sätt validerar Huowen Chen och forskargruppen sammansättningen av Janus adhesiva hydrogeler genom att utnyttja den heterogena fördelningen av ytaktiva ämnen inspirerad av deras naturliga aggregering vid vatten-luft-gränsytan. Teamet åstadkom en enstegssyntes av Janus adhesiva hydrogel via friradikalpolymerisation. Resultaten av det nyutvecklade materialet uppvisade anmärkningsvärda skillnader i kemisk sammansättning, morfologi och mekaniska egenskaper.
Medan den övre ytan av Janus-hydrogelen visade en relativt grov textur, visade undersidan av materialet lägre vidhäftningsenergi. Den distinkta skillnaden mellan vidhäftningsegenskaperna säkerställde framställningen av biomaterialen med den heterogena fördelningen av ytaktiva ämnen för att tillhandahålla en ny, syntetisk strategi för att framställa Janus-hydrogeler för ett brett spektrum av praktiska tillämpningar. De pågående resultaten erbjuder kapacitet att utforska olika ytaktiva ämnen i Janus hydrogelsyntes för att undersöka deras biomedicinska potential.
Mer information: Huowen Chen et al, Enstegssyntes av Janus hydrogel via heterogen fördelning av natrium-a-linoleat driven av självaggregering av ytaktiva ämnen, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj3186
Journalinformation: Vetenskapens framsteg
© 2023 Science X Network
