Eine Biomaterialien, die bestimmte Verhaltensweisen innerhalb biologischer Gewebe nachahmen kann, könnte nach Angaben von Forschern von Penn State die regenerative Medizin, die Modellierung von Krankheiten, die weiche Robotik und vieles mehr vorantreiben.
Materialien, die bis zu diesem Zeitpunkt geschaffen wurden, um Gewebe und extrazelluläre Matrizen (ECMs) nachzuahmen – das biologische Gerüst des Körpers von Proteinen und Molekülen, die Gewebe und Zellen umgeben und unterstützt – haben laut Team alle Einschränkungen aufgenommen, die ihre praktischen Anwendungen behindern. Um einige dieser Einschränkungen zu überwinden, entwickelten die Forscher ein biologisch basiertes „lebendes“ Material, das selbstheilende Eigenschaften umfasst und die biologische Reaktion von EZMs auf mechanische Stress nachahmt.
Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in Materialhorizontewo die Forschung auch auf dem Cover des Journals vorgestellt wurde.
„Wir haben ein zellfreies oder azelluläres Material entwickelt, das das Verhalten von ECMs dynamisch nachahmt, bei denen es sich Chemieingenieurwesen und der Dorothy Foehr Huck und J. Lloyd Huck Early Career Chair für Biomaterialien und Regenerative Engineering.
Nach Angaben der Forscher waren frühere Iterationen ihres Materials-ein Hydrogel oder wasserreiches Polymernetz-synthetisch und fehlten die gewünschte Kombination aus mechanischer Reaktionsfähigkeit und biologischer Mimikry von ECMs.
„Insbesondere diese Material Signalisierung. „Die Materialien müssen auch die für die Gewebestruktur und des Überlebens erforderlichen Eigenschaften der Selbstheilung replizieren. Frühere synthetische Hydrogele hatten Schwierigkeiten bei der Komplexität des Materials, der Biokompatibilität und der mechanischen Mimikry von ECMs.“
Das Team befasste sich mit diesen Einschränkungen durch die Entwicklung von azellulären Nanokomposit -Wohnhydrogelen (Livgels) aus „haarigen“ Nanopartikeln. Die Nanopartikel bestehen aus Nanokristallen oder „Nlinkern“ mit ungeordneten Celluloseketten oder „Haaren“ an den Enden. Diese Haare führen eine Anisotropie ein, was bedeutet, dass die NLINKER in Abhängigkeit von ihrer Richtungsorientierung unterschiedliche Eigenschaften haben und eine dynamische Bindung mit Biopolymernetzen ermöglichen. In diesem Fall waren die Nanopartikel mit einer biopolymerischen Matrix aus modifiziertem Alginat, einem natürlichen Polysaccharid, das in Braunalgen gefunden wird.
„Diese Nlinker bilden dynamische Bindungen innerhalb der Matrix, die das Verhalten von Stammverstärkern ermöglichen, dh die Reaktion der ECM auf mechanische Stress; und Selbstheilungseigenschaften, die die Integrität nach Schäden wiederherstellen“ Dies misst, wie sich Material unter verschiedenen Stressoren verhält, um zu messen, wie schnell die Liveln ihre Struktur nach hoher Belastung wiedererlangten. „Dieser Entwurfsansatz ermöglichte die Feinabstimmung der mechanischen Eigenschaften des Materials, die denen der natürlichen ECMs entsprechen.“
Kritisch, sagte Sheikhi, dieses Material besteht ausschließlich aus biologischen Materialien und vermeidet synthetische Polymere mit potenziellen Biokompatibilitätsproblemen. Neben der Minderung der Grenzen zuvor entwickelter Materialien erreichen Livgel die doppelten Merkmale der nichtlinearen Mechanik und die Selbstheilung, ohne die strukturelle Integrität zu beeinträchtigen. Die NLINKERS erleichtern spezifisch dynamische Wechselwirkungen, die eine präzise Kontrolle der Steifheit und der Dehnungsbeschaffungseigenschaften ermöglichen. Zusammengenommen wandelt der Designansatz statische Hydrogele in dynamische Hydrogele um, die die ECMs eng nachahmen.
Zu den potenziellen Anwendungen gehören das Gerüst für die Reparatur und Regeneration der Gewebee in der Regenerativmedizin, die Simulation des Gewebesverhaltens für Drogentests und die Schaffung realistischer Umgebungen für die Untersuchung des Fortschreitens der Krankheiten. Die Forscher gaben an, dass sie auch für anpassbare 3D -Bioprinting -Hydrogele oder für die Entwicklung weicher Robotik mit anpassungsfähigen mechanischen Eigenschaften verwendet werden könnten.
„Unsere nächsten Schritte umfassen die Optimierung von Livgels für bestimmte Gewebetypen, die Erforschung von In -vivo -Anwendungen für regenerative Medizin, die Integration von Livgels in 3D -Bioprinting -Plattformen und die Untersuchung des Potenzials in dynamischen tragbaren oder implantierbaren Geräten“, sagte Sheikhi.
Roya Koshani, ein Postdoktorand der Chemieingenieurwesen bei Penn State, und Sina Kheirabadi, Doktorandin für Chemieingenieurwesen in Penn State, waren Co-Autoren auf dem Papier. Sheikhi ist auch mit den Abteilungen der Biomedizinischen Technik, der Chemie und der Neurochirurgie sowie den Huck Institutes der Biowissenschaften verbunden.
Die Unterstützung für diese Forschung wurde von Penn State bereitgestellt, einschließlich der Dorothy Foehr Huck und J. Lloyd Huck Early Career Chair; das Konvergenzzentrum für lebende multifunktionale Materialsysteme und der Cluster von Exzellenzleben, adaptiven und energie-autonomen Materialsystemen, die multifunktionale Materialien für kollaborative Forschungsstipendien leben; das Materialforschungsinstitut; und das College of Engineering Materials Materie auf humane Samenzuschüsse.
