Gli idrogel sono biomateriali versatili che conquistano un numero crescente di aree biomediche. Costituiti da reti molecolari rigonfie d'acqua che possono essere adattate per imitare le caratteristiche meccaniche e chimiche di vari organi e tessuti, possono interfacciarsi all'interno del corpo e sulle sue superfici esterne senza causare alcun danno anche alle parti più delicate dell'anatomia umana.
Gli idrogel sono già utilizzati nella pratica clinica per la somministrazione terapeutica di farmaci per combattere gli agenti patogeni; come lenti intraoculari e a contatto e protesi corneali in oftalmologia; cemento osseo, medicazioni per ferite, bende per la coagulazione del sangue e impalcature 3D per l'ingegneria e la rigenerazione dei tessuti.
Tuttavia, attaccare i polimeri idrogel tra loro in modo rapido e forte è rimasta un'esigenza insoddisfatta poiché i metodi tradizionali spesso determinano un'adesione più debole dopo tempi di adesione più lunghi del previsto e si basano su procedure complesse.
Il raggiungimento di una rapida adesione dei polimeri potrebbe consentire numerose nuove applicazioni, tra cui, ad esempio, idrogel la cui rigidità potrebbe essere regolata con precisione per adattarsi meglio a tessuti specifici, incapsulamento su richiesta di componenti elettronici flessibili per la diagnostica medica o la creazione di involucri di tessuto autoadesivi per le parti del corpo difficili da bendare.
Ora, gli scienziati del Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering dell’Università di Harvard e della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) hanno creato un metodo semplice e versatile per unire istantaneamente ed efficacemente strati costituiti dallo stesso o da diversi tipi di materiali. idrogel e altri materiali polimerici, utilizzando una pellicola sottile di chitosano:un materiale fibroso a base di zucchero derivato dagli scheletri esterni lavorati dei molluschi.
I ricercatori hanno applicato con successo il loro nuovo approccio a diversi problemi medici irrisolti, tra cui il raffreddamento protettivo locale dei tessuti, la sigillatura delle lesioni vascolari e la prevenzione di "adesioni chirurgiche" indesiderate delle superfici interne del corpo che non dovrebbero aderire tra loro. I risultati sono pubblicati negli Atti della National Academy of Science .
"I film di chitosano con la loro capacità di assemblare, mettere a punto e proteggere efficacemente gli idrogel nel corpo e oltre, aprono numerose nuove opportunità per creare dispositivi per la medicina rigenerativa e le cure chirurgiche", ha affermato David Mooney, autore senior e membro fondatore della Core Faculty del Wyss Institute. , dottorato di ricerca.
"La velocità, la facilità e l'efficacia con cui possono essere applicati li rendono strumenti e componenti altamente versatili per i processi di assemblaggio in vivo in finestre di tempo spesso brevi durante gli interventi chirurgici e per la semplice fabbricazione di strutture biomateriali complesse negli impianti di produzione", ha affermato Mooney che è anche Robert P. Pinkas Family Professor di Bioingegneria presso la SEAS.
Negli ultimi anni, il team di Mooney presso il Wyss Institute e il SEAS ha sviluppato "Tough Aesthetics", una raccolta di approcci di medicina rigenerativa che utilizzano idrogel estensibili per facilitare la guarigione delle ferite e la rigenerazione dei tessuti aderendo fortemente alle superfici dei tessuti bagnati e conformandosi alla meccanica dei tessuti. proprietà.
"Gli adesivi resistenti e gli idrogel non adesivi formulati con precisione offrono a noi e ad altri ricercatori nuove opportunità per migliorare la cura dei pazienti. Ma per portare le loro funzionalità uno o anche più passi avanti, volevamo essere in grado di combinare due o più idrogel in assemblaggi più complessi, e di farlo in modo rapido, sicuro e con un processo semplice", ha affermato il co-primo autore ed ex associato di ricerca Wyss Benjamin Freedman, Ph.D., che ha guidato diversi sviluppi di Tough Adaptive con Mooney.
"I metodi esistenti per legare istantaneamente idrogel o elastomeri presentavano notevoli svantaggi perché si basavano su colle tossiche, sulla funzionalizzazione chimica delle loro superfici o su altre procedure complesse."
Attraverso un approccio di screening dei biomateriali, il team ha identificato film ponte completamente costituiti da chitosano. Il chitosano è un polimero zuccherino che può essere facilmente ottenuto dai gusci di chitina dei molluschi e ha già trovato la sua strada in applicazioni commerciali ad ampio raggio. Ad esempio, è attualmente utilizzato per trattare i semi e come biopesticida in agricoltura, per prevenire il deterioramento nella vinificazione, nei rivestimenti di vernici autoriparanti e nella gestione delle ferite mediche.
Il team ha scoperto che i film di chitosano raggiungono un legame rapido e forte degli idrogel attraverso interazioni chimiche e fisiche diverse da quelle coinvolte nei tradizionali metodi di legame degli idrogel.
Invece di creare nuovi legami chimici basati sulla condivisione di elettroni tra singoli atomi (legami covalenti), indotta da un piccolo cambiamento nel pH, i filamenti di zucchero del chitosano assorbono rapidamente l'acqua che risiede tra gli strati di idrogel e si impigliano con i supporti polimerici degli idrogel, formando molteplici legami legami tramite interazioni elettrostatiche e legami idrogeno (legami non covalenti).
Ciò si traduce in forze adesive tra gli idrogel che superano significativamente quelle create attraverso i tradizionali approcci di incollaggio degli idrogel.
Per dimostrare l’ampiezza del potenziale del loro nuovo metodo, i ricercatori si sono concentrati su sfide mediche molto diverse. Hanno dimostrato che gli adesivi resistenti modificati con pellicole di chitosano ora possono essere facilmente avvolti attorno a forme cilindriche come un dito ferito come bende autoadesive per fornire una migliore cura delle ferite. A causa dell'elevato contenuto di acqua degli idrogel legati al chitosano, la loro applicazione ha consentito anche il raffreddamento locale della pelle umana sottostante, che in futuro potrebbe portare a trattamenti alternativi per le ustioni.
I ricercatori hanno anche avvolto idrogel (gel resistenti) le cui superfici sono state modificate con sottili pellicole di chitosano senza soluzione di continuità attorno all'intestino, ai tendini e al tessuto nervoso periferico senza legarsi ai tessuti stessi.
"Questo approccio offre la possibilità di isolare efficacemente i tessuti gli uni dagli altri durante gli interventi chirurgici, che altrimenti potrebbero formare 'aderenze fibrotiche' con conseguenze talvolta devastanti. La loro prevenzione è un'esigenza clinica non soddisfatta che le tecnologie commerciali non possono ancora affrontare adeguatamente", ha spiegato Freedman.
In un'altra applicazione, hanno applicato una sottile pellicola di chitosano su un gel resistente che era già stato posizionato sull'aorta di un maiale ferito ex vivo come sigillante per ferite per aumentare la resistenza complessiva della benda, che era esposta alle forze meccaniche cicliche del sangue che pulsa attraverso la nave.
"Le numerose possibilità che emergono da questo studio del gruppo di Dave Mooney aggiungono una nuova dimensione all'ingegneria dei dispositivi biomedici a base di idrogel, che potrebbe portare a soluzioni eleganti per problemi urgenti non risolti nella medicina rigenerativa e chirurgica, da cui molti pazienti potrebbero trarre beneficio", ha affermato il fondatore di Wyss. Il direttore Donald Ingber, M.D., Ph.D., che è anche Judah Folkman Professore di Biologia Vascolare presso la Harvard Medical School e il Boston Children's Hospital, e Hansjörg Wyss Professore di Bioinspired Engineering presso la SEAS.
Altri autori dello studio sono il co-primo autore Juan Cintron Cruz, Mathew Lee e James Weaver del Wyss Institute e SEAS; Phoebe Kwon, Haley Jeffers e Daniel Kent della SEAS; e Kyle Wu al Beth Israel Deaconess Medical Center di Boston.
Ulteriori informazioni: Adesione tenace istantanea di reti polimeriche, Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze (2024). DOI:10.1073/pnas.2304643121. doi.org/10.1073/pnas.2304643121
Informazioni sul giornale: Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze
Fornito dall'Università di Harvard
