Эти более долговечные гели могут найти применение в доставке лекарств и тканевой инженерии.
Гели, которые могут быть введены в организм, несут наркотики или клетки, которые регенерируют поврежденную ткань, обещают лечение многих видов заболеваний, включая рак. Однако эти инъекционные гели не всегда сохраняют свою твердую структуру один раз внутри тела.
Инженеры-химики MIT разработали гель для инъекций, который реагирует на высокую температуру тела, создавая армирующую сеть, которая делает гель намного более долговечным, позволяя ему функционировать в течение более длительного периода времени.
Исследовательская группа под руководством Брэдли Олсена, доцента химического машиностроения, описала новые гели в недавнем выпуске журнала Advanced Functional Materials. Ведущим автором статьи является Мэтью Глассман, аспирант лаборатории Олсена. Жаклин Чан, бывший студент в Массачусетском технологическом институте, также является автором.
Олсен и его ученики работали с семейством гелей, известных как прореживающие гидрогели, которые обладают уникальной способностью переключаться между твердотельными и жидкоподобными состояниями. При воздействии механического напряжения – например, при нажатии через иглу для инъекций – эти гели текут подобно жидкости. Но один раз внутри тела гели возвращаются в свое нормальное твердое состояние.
Однако недостатком этих материалов является то, что после того, как они вводятся в организм, они по-прежнему уязвимы к механическим нагрузкам. Если такие напряжения заставят их снова перейти в жидкое состояние, они могут развалиться.
«Утончение среза по своей сути недолговечно, – говорит Олсен. «Как вы проходите переход от недолговечного, который требуется для инъекции, к очень долговечному, что требуется для долгой, полезной жизни имплантата?»
Команда MIT ответила на этот вопрос, создав армирующую сеть в своих гелях, которая активируется только тогда, когда гель нагревается до температуры тела (37 градусов Цельсия).
Прорезывающие гели для сдвига могут быть изготовлены из множества различных материалов (включая полимеры, такие как полиэтиленгликоль или ПЭГ), но лаборатория Олсена фокусируется на белковых гидрогелях, которые привлекательны, потому что они могут быть разработаны относительно легко для продвижения биологических функций, таких как клеточная адгезия и клеточной миграции.
Белковые гидрогели в этом исследовании состоят из свободно упакованных белков, удерживаемых вместе связями между белковыми сегментами, известными как спиральные катушки, которые образуются, когда два или три спиральных белка обматываются в ропеллическую структуру.
Исследователи MIT разработали свой гидрогель для включения второй армирующей сети, которая формируется, когда полимеры, прикрепленные к концам каждого белка, соединяются вместе. При более низких температурах эти полимеры растворимы в воде, поэтому они свободно плавают в геле. Однако при нагревании до температуры тела они становятся нерастворимыми и выделяются из водного раствора. Это позволяет им объединиться и сформировать прочную сетку в геле, что делает его намного более долговечным.
Исследователи обнаружили, что гели с этой армирующей сетью были намного медленнее, чтобы ухудшиться при воздействии механического напряжения и были значительно более жесткими. Это предлагает многообещающий способ сорвать тенденцию к истончению материалов, уменьшающих сдвиг, размываться один раз в организме, говорит Джейсон Бурдик, адъюнкт-профессор биоинженерии в Университете Пенсильвании.
«Строительство этой вторичной сети на основе другого типа механизма – очень элегантный способ преодолеть это препятствие посредством материального дизайна», – говорит Бердик, который не был членом исследовательской группы.
Другим преимуществом этих гелей является то, что они могут быть настроены на деградацию с течением времени, что было бы полезно для долгосрочного высвобождения лекарственного средства. В настоящее время исследователи работают над путями контроля этой функции, а также включают различные типы биологических функций в гели.