Gli idrogel sono ovunque. Sono polimeri amanti dell'acqua che possono assorbire e trattenere l'acqua, e può essere trovato in tali prodotti di consumo quotidiano come lenti a contatto morbide, pannolini usa e getta, certi cibi, e anche in applicazioni agricole. Sono anche estremamente utili in diverse applicazioni mediche grazie al loro alto grado di biocompatibilità e alla loro capacità di degradarsi e di essere riassorbiti nel corpo.

Queste qualità consentono agli idrogel di simulare il tessuto vivente per la sostituzione o la rigenerazione dei tessuti. Una delle più utili di queste applicazioni è per la guarigione delle ferite. Gli idrogel sono ideali per questo scopo, con la loro capacità di idratare e formare un ambiente umido e di supporto. Questo facilita i processi benefici per la guarigione delle ferite, come la formazione di vasi sanguigni, la rottura dei tessuti morti, attivazione delle cellule immunitarie, la prevenzione della morte di cellule e tessuti vivi e persino l'alleviamento del dolore.

idrogel naturali, in particolare gelatina metacriloil (GelMA) idrogel, sono preferiti per la guarigione delle ferite grazie alla loro biosicurezza e alla loro eccezionale biocompatibilità. Ma il loro utilizzo è ostacolato dalle loro proprietà meccaniche intrinsecamente scarse come l'elasticità limitata, relativa fragilità e rigidità, e la loro incapacità di aderire alle superfici dei tessuti. Per migliorare queste caratteristiche, sono state tentate variazioni sui metodi di preparazione e sui componenti.

Quando viene preparato un idrogel GelMA, si ottiene una soluzione di gelatina mescolando e sciogliendo la gelatina in acqua. Ciò si traduce in una dispersione di catene polimeriche gelatinose nell'acqua. Una sostanza chimica chiamata fotoiniziatore viene quindi aggiunta alla soluzione, che rende le catene polimeriche appiccicose e consente loro di aderire l'una all'altra. L'esposizione alla luce UV attiva i fotoiniziatori e le catene polimeriche si reticolano tra loro per formare una rete. Le molecole d'acqua entrano in questa rete, allungando le catene e rimanendo bloccati in esse; questo illustra i poteri di assorbimento degli idrogel ed è il punto in cui la gelificazione, o solidificazione, si verifica.

Le proprietà di questo gel possono essere modificate aggiungendo sostanze chimiche che si legano alle catene polimeriche prima dell'esposizione ai raggi UV, oppure gli stessi parametri UV possono essere variati per regolare le proprietà del gel. Alcune di queste modifiche sono state sperimentate in precedenti tentativi di migliorare le proprietà fisiche di GelMA.

Un approccio consisteva nell'introdurre ulteriori sostanze chimiche nella soluzione GelMA prima della reticolazione; l'idrogel chimicamente coniugato risultante ha mostrato un leggero miglioramento nell'adesione del tessuto. Sono stati fatti altri tentativi per rafforzare GelMA rinforzando film GelMA sottili e flessibili chimicamente coniugati con sostanze chimiche aggiuntive. Ma le sfide rimangono con il miglioramento delle tre proprietà meccaniche di tenacità, elasticità, e forza adesiva contemporaneamente negli idrogel GelMA.

Un team collaborativo del Terasaki Institute for Biomedical Innovation (TIBI) ha sviluppato metodi per migliorare tutte e tre queste proprietà negli idrogel GelMA in una procedura semplice con parametri di fabbricazione regolabili.

I ricercatori si sono prima rivolti a un esempio trovato in natura nel loro approccio al miglioramento dell'adesione negli idrogel. Le cozze marine secernono forti fili che vengono utilizzati come attacchi e funi di trazione su rocce e altre superfici irregolari. Per formare questi fili, le cozze producono proteine ​​di adesione in ambiente acido; dopo l'esposizione all'acqua dell'oceano leggermente alcalina, le proteine ​​subiscono un cambiamento chimico che stimola la formazione del filo.

In modo corrispondente, il team TIBI ha aggiunto grandi quantità di dopamina, un analogo chimico della proteina di adesione delle cozze, a GelMA per aumentarne la forza, elasticità, e proprietà adesive. Hanno anche sottoposto la miscela a condizioni alcaline per aumentare ulteriormente la forza adesiva del GelMA.

I risultati hanno mostrato che l'aggiunta di grandi quantità di dopamina alla soluzione GelMA potrebbe aumentare l'elasticità dell'idrogel risultante di quasi sei volte e la sua forza di oltre tre volte. Altri esperimenti hanno mostrato che quando la dopamina è sottoposta a condizioni alcaline prima della fase di reticolazione, la forza adesiva potrebbe essere aumentata fino a quattro volte e la sua resistenza alle forze di taglio di quasi sette volte.

"Gli esperimenti che abbiamo condotto forniscono preziose informazioni sulle procedure per l'attivazione della tenacità e dell'adesione negli idrogel a base di GelMA, " disse Hossein Montazarian, dottorato di ricerca, primo autore del progetto.

I ricercatori continueranno a sperimentare altre sostanze chimiche per ottimizzare i loro effetti sulle proprietà meccaniche di GelMA. Ciò può portare a miglioramenti in applicazioni aggiuntive come dispositivi indossabili attaccabili alla pelle o impianti interni di guarigione e rigenerativi.

"Le conoscenze acquisite qui sulle proprietà meccaniche fondamentali degli idrogel possono avere effetti di vasta portata sulle applicazioni biomediche, " ha detto Ali Khademhosseini, dottorato di ricerca, Direttore e CEO di TIBI. "È uno dei tanti esempi di ricerca di impatto dalla nostra piattaforma di biomateriali".