(Phys.org) —En klass av vattenälskande, geléliknande material med användningsområden som sträcker sig från det vardagliga, som superabsorberande blöjfoder, till de sofistikerade, som mjuka kontaktlinser, skulle kunna utnyttjas för en ny linje av seriöst arbete:att testa de biologiska effekterna av nanopartiklar som nu tittar på en mängd olika användningsområden.

Ny forskning av forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) visar att tredimensionella byggnadsställningar gjorda med celler och stödmaterial som kallas hydrogeler kan fungera som verklighetstrogna mätplattformar för att utvärdera hur små tekniska material interagerar med celler och vävnader. Deras proof-of-concept studie tyder på att hydrogelvävnadsställningar kan vara en "kraftig bro" mellan nuvarande laboratorietester och tester som använder djurmodeller.

I dag, laboratorietester av nanopartiklar innebär vanligtvis att ett tvådimensionellt lager av celler exponeras för materialet av intresse. Förutom att vara tvivelaktiga substitut för de komplexa cellulära ramverken som utgör vävnader och organ inuti kroppen, dessa tester kan ge motstridiga resultat, förklarar analytisk kemist Elisabeth Mansfield, ledande forskare på den nya NIST-studien.

"Vår studie visar att hydrogelbaserad, vävnadstekniska ställningar kan ge mer realistiska miljöer för att studera nanopartikelinfluerad cellbiologi under längre perioder, " säger hon. Viktigt, NIST-forskningen visar att studier som använder ställningen inte kräver att celler exponeras för nanopartiklar i doser som överstiger normala exponeringsnivåer.

Hydrogeler är nätverk av trådiga, förgrenade polymermolekyler med ändar som fäster vid vattenmolekyler – så mycket att 99,9 procent av en hydrogel kan bestå av vatten. Beroende på avståndet mellan strängarna (den så kallade maskstorleken) och andra faktorer, hydrogeler kan stödja och främja tillväxten och differentieringen av cellpopulationer.

Medan hydrogeler förekommer naturligt - ett exempel är brosk - valde NIST-teamet att tillverka sitt eget, ger dem kontroll över maskstorleken i ställningarna de skapade.

I deras experiment, teamet använde polyetylenglykol - en vanlig polymer som används i hudkrämer, tandkräm, smörjmedel och andra produkter – för att skapa tre hydrogeler med olika maskstorlekar. En uppsättning hydrogeler fylldes med råttceller innehållande ultrasmå halvledande material, kända som kvantprickar. Vid exponering för ljus, kvantprickar avger starka fluorescerande signaler som gjorde det möjligt för forskarna att spåra ödet för behandlade celler i de syntetiska ställningarna.

Resultaten jämfördes med de för liknande behandlade celler odlade i ett enda lager på ett substrat, liknar standardlaboratorietoxikologiska tester.

NIST-forskarna fann att celler diffunderade genom hydrogelställningen, bildar en bestående vävnadsliknande struktur. Kvantprickar fästa vid cellmembran och, över tid, absorberades i cellerna.

Tredimensionella byggnadsställningar används ofta för att testa celler för flerveckorsexperiment, och NIST-forskare fann att kvantprickar kan upptäckas i fyra eller fler dagar inuti ställningen.

Lika betydelsefull, celler som befolkade hydrogelställningarna exponerades för lägre nivåer av kvantprickar, ger ett mer representativt scenario för att utvärdera biologiska effekter.

NIST-teamet drar slutsatsen att jämfört med konventionella cellkulturer, hydrogelställningar ger en mer realistisk, längre livslängd biologisk miljö för att studera hur tekniska nanopartiklar interagerar med celler. Dessutom, byggnadsställningarna kommer att rymma studier av hur dessa interaktioner utvecklas över tid och av hur de fysiska egenskaperna hos nanopartiklar kan förändras.