Тканевая инженерия: разработка биоинспирированных многофункциональных гидрогелей, имитирующих сухожилия.

В новом отчете, опубликованном в журнале Science Advances, Минцзе Сун и исследовательская группа в области физики, машиностроения, электротехники и электроники в Гонконге, Китай, сообщили о разработке многофункциональных гидрогелей, имитирующих сухожилия, путем сборки композитов из арамидных нановолокон.

Анизотропные композитные гидрогели (ACH) содержали жесткие нановолокна и мягкие фрагменты поливинилового спирта для имитации биологических взаимодействий, которые обычно происходят между коллагеновыми волокнами и протеогликанами в сухожилиях. Команда была вдохновлена ​​естественными сухожилиями для разработки гидрогелей с высоким модулем упругости, прочностью и стойкостью к излому.

Исследователи биофункционализировали эти материальные поверхности биоактивными молекулами, чтобы представить биофизические сигналы, чтобы придать поведенческие сходства с таковыми при прикреплении клеток. Кроме того, мягкие биоэлектронные компоненты, интегрированные в гидрогели, обеспечивают множество физиологических преимуществ. Основываясь на выдающихся функциональных возможностях миметиков сухожилий, команда предусмотрела более широкое применение материалов в передовой тканевой инженерии для создания имплантируемых протезов для взаимодействия человека и машины.

Материаловедение биомиметического сухожилия

Ученые-материаловеды работают над созданием передовых биологических материалов для медицинских устройств и платформ тканевой инженерии, чтобы с помощью инженерии материалов имитировать архитектуру естественных биологических тканей. Однако архитектура естественной ткани имеет множество характеристик, которые трудно воспроизвести синтетическим путем. Архитектура сухожилий зависит от несущей способности костно-мышечной системы, чтобы обеспечить биофизические сигналы, которые трансформируются в клеточное поведение посредством межфазных взаимодействий . В последнее десятилетие исследователи посвятили обширные исследования созданию материалов, имитирующих сухожилия, с высокой структурной анизотропией.

Сан и его коллеги разработали передовую платформу материалов для своей работы по созданию гибридных анизотропных гидрогелей с поведением, подобным сухожилиям, и многофункциональностью на биоинтерфейсах. В ходе экспериментов они установили реконфигурируемые взаимодействия между жесткими и гибкими полимерами, чтобы сформировать высокоориентированный каркас, который имитировал микроструктурное взаимодействие между выровненными коллагеновыми волокнами и мягкими протеогликанами. Таким образом, биомиметические результаты анизотропных биофизических сигналов регулировали поведение клеток.

Создание передового полимерного материала в лаборатории

Исследовательская группа разработала анизотропные композитные гидрогели путем растяжения и сжатия материала, состоящего из жестких и гибких полимерных компонентов. Полученный материал продемонстрировал разветвленную микроструктуру, имитирующую коллагеноподобные строительные блоки .

Команда провела обширную водородную связь между двумя компонентами полимера, чтобы создать трехмерную сеть с высокой прочностью, где фибриллярная сеть не подвергалась структурному распаду даже при высоких уровнях деформации, что привело к их последовательному выравниванию . Затем они наблюдали характерную фибриллярную сеть изотропных гидрогелей, которые напоминали иерархические структуры, наблюдаемые в естественных сухожилиях — такие усилия были невозможны с ранее существовавшими синтетическими гидрогелями.

Биофункционализация передовых полимеров

Затем ученые изучили структурные характеристики нового полимера и его влияние на поведение клеток посредством межфазных взаимодействий. Они приняли химическую функционализацию, чтобы представить мотив клеточной адгезии, такой как мотивы arginylglycylaspartic acid, для связывания с интегринами на клеточной мембране. Исследователи отметили успешную биофункционализацию передовых материалов, наблюдая прилипание клеток фибробластов к поверхности материала, в то время как образцы без функционализации поверхности не демонстрировали подобного прикрепления клеток.

Молекулы Rho -ассоциированной протеинкиназы (ROCK) играют важную роль, регулируя сократительный механизм клеток во время клеточных морфологических ответов на топографию поверхности и механику субстрата . Материальные конструкции дополнительно регулировали дифференцировку клеток макрофагов между провоспалительными вариантами M1 и прозаживляющими вариантами M2 для создания биологически благоприятных имплантируемых устройств.

Применение передовых материалов в биоэлектронике

Исследовательская группа в конечном итоге продемонстрировала мультимодальное физиологическое восприятие, интегрировав передовые материалы в мягкую биоэлектронику. Среди этих итераций они приняли змеевидную конструкцию для создания электроники на основе пластин с высокой растяжимостью, чтобы выдерживать процесс предварительной стирки-сушки материалов. Они использовали анализ методом конечных элементов для оценки распределения напряжений по всему устройству и повысили растяжимость электронного компонента, изменив его геометрическую конструкцию для улучшения механической целостности.

Перспектива

Таким образом, Mingze Sun и его коллеги разработали гидрогели, имитирующие сухожилия, с выдающейся механикой и функциональностью, которые преимущественно возникли в результате сборки нановолокон. Они использовали биофизические сигналы, представленные составляющими материалов, для регулирования динамики клеток, что было полезно для передовых приложений тканевой инженерии. Сухожилиеподобное поведение передовых материалов было полезно в качестве имплантируемых тканевых протезов.

Исследователи изучили физическую интеграцию передовых материалов и натуральных тканей in vivo и представили возможности использования многофункциональной биоэлектроники, интегрированной в передовые материалы. К ним относятся предоставление критически важных функций, таких как физиологический мониторинг и интеграция беспроводных модулей для двусторонней связи между внешним оборудованием и электронно-активными протезами.