stampato in 3D, gli organi trapiantati possono sembrare fantascienza, ma, grazie ai progressi nella chimica dei polimeri, potrebbero diventare realtà. Gli idrogel sensibili agli stimoli rappresentano un'ampia classe di materiali morbidi che cambiano le loro proprietà meccaniche quando vengono applicati determinati trigger esterni. L'anno scorso i ricercatori del laboratorio di Jonathan Barnes, professore assistente di chimica, ha creato un nuovo tipo di muscolo molecolare artificiale da un polimero che cambia colore e si contrae quando esposto alla luce blu. Materiali simili promettono un'ampia gamma di applicazioni, particolarmente in medicina.

Barnes ha iniziato a lavorare sugli idrogel perché voleva sviluppare un materiale che potesse cambiare forma, dimensione, e proprietà meccaniche quando vengono attivati, proprio come fanno i nostri muscoli quando si espandono e si contraggono. "Molte persone hanno detto che non avremmo mai ottenuto la quantità di contrazione che speravamo, "Barnes ha ricordato, "ma in realtà ha funzionato meglio di quanto avessimo mai immaginato."

In "Fotomodellazione idrogel reversibile:controllo spaziale e temporale sulle proprietà meccaniche del gel mediante catalisi fotoredox a luce visibile, " pubblicato il 17 giugno sulla rivista Materiali e interfacce applicati ACS , Il laboratorio di Barnes ha presentato un nuovo tipo di polimero reattivo che si basa sul successo dello studio precedente. Il nuovo lavoro del team si è concentrato sullo sviluppo di soft, materiali biocompatibili che potrebbero sostenere carichi pesanti, materiali che in futuro potrebbero essere particolarmente adatti per usi medici come protesi o organi trapiantati.

Faheem Amir, autore principale dell'articolo e ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Barnes, afferma che questo tipo di studio affronta un'attuale lacuna tecnologica. "Le cellule all'interno dei sistemi viventi affrontano un ambiente 3-D, eppure la maggior parte degli studi che vengono fatti sulle cellule sono fatti su materiali 2-D, " ha spiegato. Idrogel che sono forti, ma morbido ed elastico, può fornire un modo per scienziati come Amir di portare le cellule in un sistema 3D e vedere come si comportano le cellule in condizioni diverse.

Il team ha riprogettato la chimica alla base delle reazioni del loro polimero per creare nuovi idrogel utilizzando un polimero biocompatibile. Il materiale di base, attualmente utilizzato nelle lenti a contatto, consente una maggiore elasticità e può a sua volta supportare meglio le reti cellulari 3D.

Dal loro successo iniziale, il team ha lavorato per migliorare la velocità della reazione e il suo metodo di attivazione. I primi idrogel richiedevano l'immersione in una soluzione riducente chimica, ma il nuovo materiale del team risponde alla luce visibile attraverso l'inclusione di un fotocatalizzatore nella rete di idrogel. Questa zona calda della chimica è nota come catalisi fotoredox, ed ha notevolmente ampliato l'usabilità degli idrogel di Barnes lab.

"Stiamo usando il fotocatalizzatore per assorbire la luce e trasferire un elettrone al nostro polimero, che aziona il materiale. Non appena spegniamo la luce e il materiale viene esposto all'ossigeno nell'aria ambiente, inverte il processo, " Barnes ha spiegato. "E 'come una spugna. Quando spingiamo fuori tutta l'acqua, è più piccolo, ma poi quando lo rimetti nell'acqua, si gonfierà di nuovo. È lo stesso tipo di processo come in naturale, sistemi meccanici, come i muscoli".

Una volta che il team ha saputo che il processo avrebbe funzionato utilizzando la luce visibile, volevano perfezionare la loro applicazione illuminando la luce e attivando solo punti molto precisi nel gel, non tutto. Questo è l'obiettivo di questo studio:il nuovo idrogel può non solo agire come nelle precedenti iterazioni, ma anche farlo con precisione?

Amir ha riportato successi in diverse aree. "Il processo ha comportato un aumento significativo della rigidità del materiale morbido, resistenza alla trazione, e percentuale di allungamento prima della rottura, tutto ciò potrebbe essere facilmente invertito tramite ossidazione e rigonfiamento in acqua, " ha detto. Gli idrogel hanno anche permesso una precisa risoluzione spaziale e il controllo su dove avvenivano le attivazioni, che il team ha illustrato fotopatterando il disegno di una bandiera americana.

Ora che i ricercatori del laboratorio di Barnes hanno il controllo spaziale sull'attivazione dell'idrogel, possono rivolgersi all'ottimizzazione per applicazioni biomediche in collaborazione con la Washington University School of Medicine (WUSM). "Sappiamo abbastanza sulla struttura di base degli organi che dovremmo essere in grado di stamparli in 3D in linea di principio, ma ci mancano i materiali, " ha detto Barnes.

I ricercatori del laboratorio di Barnes si concentreranno successivamente sulla dimostrazione che i loro idrogel sono abbastanza resistenti da supportare applicazioni con cellule sospese in una matrice 3D. Essere in grado di attivare aree specifiche in tre dimensioni è un passo fondamentale per far crescere con successo il tessuto in una coltura cellulare 3D. Ulteriori perfezionamenti al materiale includeranno l'attivazione con altre lunghezze d'onda della luce, come infrarossi, che consentirebbe l'attivazione non invasiva attraverso il tessuto umano. L'obiettivo finale sarebbe quello di creare un iniettabile, Idrogel personalizzato stampabile in 3D, un "bio-inchiostro" personalizzato costruito dal tessuto di un paziente, che potrebbe essere attivato selettivamente attraverso la pelle, semplicemente illuminandolo. Ciò consentirebbe applicazioni altamente specializzate all'interno del corpo.

"Andando avanti, abbiamo sviluppato una collaborazione con il Dr. Moe Mahjoub del WUSM dove stiamo studiando gli effetti dell'attivazione fotoindotta sul comportamento cellulare, " ha detto Amir. I collaboratori sperano che i loro idrogel attivati ​​saranno in grado di imitare il tessuto umano, creando una piattaforma generale per l'utilizzo in innumerevoli applicazioni. La versatilità della tecnologia chiave del team, il loro reticolante polimerizzabile, supporta questo obiettivo:i ricercatori possono combinare il loro reticolante con qualsiasi monomero per creare polimeri personalizzati con caratteristiche e proprietà meccaniche accuratamente sintonizzate.

"Abbiamo preso questa idea che nessuno pensava potesse funzionare al punto in cui stiamo effettivamente mostrando rilevanza biomedica con questi materiali. Questo sta spingendo ben oltre la chimica fondamentale, e anche oltre WashU, per costruire collaborazioni in tutto il paese e anche nel mondo, " ha affermato Barnes. Questa ricerca è stata presentata al meeting dell'American Chemical Society (ACS) lo scorso aprile. Guarda la presentazione completa di Barnes, "Il materiale muscoloso si espande e si contrae in risposta alla luce, " da ACS Orlando 2019.