Разработка биоинспирированных многофункциональных гидрогелей, имитирующих сухожилия
В новом отчёте, опубликованном в Science Advances, Минцзе Сунь и исследовательская команда из Гонконга, Китай, сообщили о разработке многофункциональных гидрогелей, имитирующих сухожилия, путём сборки композитов из арамидных нановолокон.
Анизотропные композитные гидрогели (ACH) содержали жёсткие нановолокна и мягкие звенья поливинилового спирта, чтобы имитировать биологические взаимодействия, которые обычно происходят между коллагеновыми волокнами и протеогликанами в сухожилиях. Команда была биоинспирирована природными сухожилиями для создания гидрогелей с высоким модулем упругости, прочностью и трещиностойкостью.
Исследователи биофункционализировали поверхности этих материалов биологически активными молекулами, чтобы представить биофизические сигналы, придающие сходство в поведении прикрепления клеток. Кроме того, мягкие биоэлектронные компоненты, интегрированные в гидрогели, обеспечивали различные физиологические преимущества. Основываясь на выдающейся функциональности миметиков сухожилий, команда предвидела более широкое применение материалов в передовой тканевой инженерии для создания имплантируемых протезов для взаимодействия человека и машины.
Инженерия материалов для биомиметического сухожилия
Учёные-материаловеды работают над созданием передовых биологических материалов для медицинских устройств и платформ тканевой инженерии, чтобы воспроизвести архитектуру природных биологических тканей с помощью инженерии материалов. Однако природная архитектура тканей обладает рядом характеристик, которые сложно воспроизвести синтетически. Архитектура сухожилий опирается на несущую способность опорно-двигательного аппарата, обеспечивая биофизические сигналы, которые преобразуются в клеточное поведение через межфазные взаимодействия. За последнее десятилетие исследователи посвятили значительные усилия разработке материалов, имитирующих сухожилия, с высокой структурной анизотропией.
Сунь и коллеги разработали передовую платформу материалов для создания гибридных анизотропных гидрогелей с поведением, подобным сухожилиям, и многофункциональностью на биоинтерфейсах. В ходе экспериментов они установили перестраиваемые взаимодействия между жёсткими и гибкими полимерами, чтобы сформировать высокоориентированную структуру, имитирующую микроструктурное взаимодействие между выровненными коллагеновыми волокнами и мягкими протеогликанами. Биомиметические результаты анизотропных биофизических сигналов таким образом регулировали поведение клеток.
Создание передового полимерного материала в лаборатории
Исследовательская группа разработала анизотропные композитные гидрогели путём растяжения и ограничения материала, состоящего из жёстких и гибких полимерных компонентов. Полученный материал продемонстрировал разветвлённые микроструктуры, имитирующие коллагеноподобные строительные блоки.
Команда создала обширные водородные связи между двумя полимерными компонентами, чтобы создать трёхмерную сеть с высокой прочностью, где фибриллярная сеть не подвергалась структурному разрушению даже при высоких уровнях деформации, что приводило к их согласованному выравниванию. Затем они наблюдали характерную фибриллярную сеть изотропных гидрогелей, напоминающую иерархические структуры, как в природных сухожилиях — подобные усилия были не такими осуществимыми с существующими синтетическими гидрогелями.
Биофункционализация передовых полимеров
Учёные далее изучили структурную характеристику нового полимера и его влияние на поведение клеток через межфазные взаимодействия. Они применили химическую функционализацию для представления мотива адгезии клеток, такого как мотивы аргинилглициласпарагиновой кислоты (RGD), для связывания с интегринами на клеточной мембране. Исследователи отметили успешную биофункционализацию передовых материалов, наблюдая адгезию фибробластов на поверхностях материала, в то время как образцы без поверхностной функционализации не демонстрировали аналогичного прикрепления клеток.
Молекулы Rho-ассоциированной протеинкиназы (ROCK) играли значительную роль, регулируя сократительный аппарат клеток во время морфологических ответов клеток на топографию поверхности и механику субстрата. Конструкции материалов дополнительно регулировали дифференцировку макрофагов между провоспалительными вариантами M1 и про-заживляющими вариантами M2 для создания био-благоприятных имплантируемых устройств.
Применение передовых материалов в качестве биоэлектроники
Исследовательская группа в конечном итоге продемонстрировала мультимодальное физиологическое зондирование, интегрировав передовые материалы в мягкую биоэлектронику. Среди этих итераций они использовали серпантинный дизайн для создания электроники на основе пластин с высокой растяжимостью, чтобы выдержать процесс предварительной мойки-сушки материалов. Они использовали метод конечных элементов для оценки распределения напряжения по устройству и повысили растяжимость электронного компонента, модифицировав его геометрический дизайн для улучшения механической целостности.
Перспективы
Таким образом, Минцзе Сунь и коллеги создали гидрогели, имитирующие сухожилия, с выдающейся механикой и функциональностью, которые в основном происходили от сборки нановолокон. Они использовали биофизические сигналы, представленные компонентами материалов, для регулирования клеточной динамики, что полезно для передовых приложений тканевой инженерии. Поведение материалов, имитирующих сухожилия, было полезно в качестве имплантируемых тканевых протезов.
Исследователи изучили физическую интеграцию между передовыми материалами и природными тканями in vivo и предвидят возможности использования многофункциональной биоэлектроники, интегрированной в передовые материалы. К ним относятся предоставление критических возможностей, таких как физиологический мониторинг, и интеграция беспроводных модулей для двусторонней связи между внешним оборудованием и электронно-активными протезами.