Termoczuły hydrożel pomoże odbudować kości

komorki

Inżynierowie z Rice University opracowali termoczuły hydrożel, który pod wpływem temperatury ulega odwracalnym przemianom (sieciowaniu i rozpuszczaniu). Polimerowy materiał w temperaturze pokojowej jest cieczą, a po wstrzyknięciu jej do ludzkiego organizmu gęstnieje i tworzy żel. Docelowo hydrożel ma stanowić platformę do szybkiej odbudowy i regeneracji m.in. kości twarzoczaszki.

Polimery wrażliwe na działania bodźców zewnętrznych (np. światło, temperaturę, pH) w ostatnich latach cieszą się dużym zainteresowaniem ze strony badaczy. Do tej grupy należą hydrożelowe polimery termoczułe, których przejście fazowe związane jest ze zmianami temperatury. Powyżej pewnej temperatury, po przekroczeniu punktu zmętnienia ich rozpuszczalność ulega pogorszeniu. Wtedy roztwór ulega zatężeniu i sieciowaniu. Najniższa temperatura, w której następuje podział fazowy nazywa się dolną krytyczną temperaturą rozpuszczania (z ang. lower critical solution temperature, LCST). Jest ona zależna m.in. od masy molowej i ciśnienia otoczenia. Polega to na tym, że podczas ogrzewania układu, hydrożelowy polimer ulega wytrącaniu z roztworu wodnego. Jest to reakcja odwracalna, ponieważ w momencie zaprzestania dostarczania energii (obniżeniu temperatury) mieszanina ponownie staje się jednorodna. Zjawisko to wiąże się kurczeniem i pęcznieniem żelów odpowiednio powyżej i poniżej objętościowej temperatury przemiany fazowej (z ang. volume phase transition temperature – VPTT).

Technologie wykorzystujące termoczułość nie są nowością w dziedzinach inżynierii tkankowej oraz medycynie regeneracyjnej. Naukowcy z Houston do badań wykorzystali zmodyfikowany poli(N-izopropyloakryloamid) – PNIPAAm, który po raz pierwszy został zsyntetyzowany w 1950 roku. To materiał, który po podgrzaniu do temperatury 32°C ulega sieciowaniu i formowaniu w trójwymiarowy hydrożel. PNIPAAm jest biozgodny, a wcześniej był już stosowany podczas sprawdzania systemów kontrolowanego podawania leków. Kontrolując skład i budowę makrocząstęczek badacze przebudowali poli(N-izopropyloakryloamid) wpływając jego właściwości. Odmiana PNIPAAm oparta została na makromerach żelujących z dodatkiem hydrolizowanych pierścieni laktonów, epoksydowych grupach w łańcuchach bocznych oraz biodegradowalnych diaminach i polimidoaminowym czynniku sieciującym. Dzięki temu temperatura przejścia fazowego hydrożelu została zmieniona na 37°C, czyli dużo bliższej fizjologicznej temperaturze ciała. Pozwoliło to również wyeliminować skurcz żelu, który po wytrąceniu tracił nawet 90% objętości. Umożliwia to bezpieczne ponowne, bezpieczne przejście fazowe w płyn, które do tej pory wiązało się z wystąpieniem dużego obrzęku. Inżynierowie są zdania, że materiał znajdzie potencjalne zastosowanie jako lokalne biorusztowanie dla komórek macierzystych oraz jako nośnik czynników wzrostowych. Następnie po regeneracji tkanki kostnej hydrożel zostanie upłynniony i usunięty w naturalny sposób. Interwencja chirurgiczna zostałby ograniczona do minimum.

Wyniki pomiarów przy użyciu skaningowej kalorymetrii różnicowej (z ang. differential scanning calorimetry, DSC) oraz reometrii oscylacyjnej (z ang. oscillatory rheometry, OR) potwierdziły szybkie działanie, a także dualną naturę zmodyfikowanego hydrożelu PNIPAAm. Stabilność wymiarowa oraz zachowania mechaniczne materiału mogą być łatwo dostrajane podczas poszczególnych etapów syntezy. Przeprowadzono również wstępne badania żywotności mezenchymalnych komórek macierzystych (z ang. mesenchymal stem cells, MSC). Mogą one tworzyć kilka typów komórek należących do grupy tkanek szkieletowych takich jak chrząstka, kości lub tłuszcz. Testy wykazały, że komórki MSC utrzymywane były w żelu przez 7 dni. Naukowcy sugerują, że wstrzykiwane, termicznie i chemicznie sieciowane hydrożele są obiecującą alternatywą dla prefabrykowanych biomateriałów do zastosowań w inżynierii tkankowej, a w szczególności dla transportu komórek. Obecnie w ramach projektu inżynierowie będą testować możliwości hodowli komórek macierzystych w hydrożelu oraz mało inwazyjne metody regeneracji kości jako alternatywy zabiegów klinicznych.

Źródło:
[1] Synthesis, Physicochemical Characterization, and Cytocompatibility of Bioresorbable, Dual-Gelling Injectable Hydrogels. Tiffany N. Vo, Adam K. Ekenseair, Fred Kurtis Kasper, Antonios G. Mikos. Biomacromolecules, DOI: 10.1021/bm401413c
[2] http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/bm401413c [16.12.2013]
[3] http://news.rice.edu/2013/12/11/liquid-to-gel-to-bone/ [16.12.2013]
[4] www.ichp.pl/attach.php?id=342 [16.12.2013]
[5] http://en.wikipedia.org/wiki/Poly(N-isopropylacrylamide) [16.12.2013]
[6] http://www.dbc.wroc.pl/Content/1795/Hamerska-Dudra.pdf [16.12.2013]
[7] http://www.eurostemcell.org/fr/node/29386 [16.12.2013]
[8] Follicular Lymphoma in Bone Marrow by Ed Uthman (euthman), flickr.com, CC By 2.0

Dodaj pierwszy komentarz

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *