Gli idrogel adesivi Janus hanno applicazioni promettenti in tutti i campi sanitari. Tuttavia, un metodo semplice per sintetizzare il materiale doveva ancora essere progettato con la bioingegneria in laboratorio.
In un nuovo studio ora pubblicato su Science Advances , Huowen Chen e un gruppo di ricerca in Cina hanno ideato un metodo semplice per preparare gli idrogel Janus basato su fenomeni fondamentali tra cui l'autoaggregazione di tensioattivi ad alte concentrazioni nell'interfaccia aria/acqua.
Il team ha combinato una piccola quantità di sodio-alfa-linoleato con acrilammide attraverso la polimerizzazione dei radicali liberi e ha sintetizzato gli idrogel adesivi Janus. Questi costrutti hanno mostrato notevole forza adesiva, proprietà chimiche e morfologia superficiale, che il team ha studiato utilizzando simulazioni di dinamica molecolare per comprendere i meccanismi delle proprietà del biomateriale.
I materiali della rete tridimensionale degli idrogel sono costituiti principalmente da catene polimeriche idrofile che contengono una grande quantità di acqua. Grazie alla loro eccellente biocompatibilità, proprietà bagnanti e flessibilità, i materiali sono particolarmente adatti alla biomedicina.
Per ottenere ciò, gli idrogel devono avere buone proprietà adesive con il tessuto biologico. I bioingegneri hanno recentemente progettato idrogel adesivi introducendo gruppi supramolecolari, aminoacidi e nucleici ospite-ospite. Gli idrogel Janus possono essere creati con differenze chimiche o fisiche tra i lati superiore e inferiore dell'idrogel, attraverso metodi di immersione, sintesi graduale o fusione in stampo.
Di conseguenza, è fondamentale sviluppare un metodo di preparazione rispettoso dell’ambiente semplice, efficiente ed economico per applicare gli idrogel adesivi Janus. In questo lavoro, Chen e colleghi hanno proposto un nuovo studio per sintetizzare gli idrogel adesivi Janus esplorando la loro adesione interfacciale.
Durante gli esperimenti, hanno utilizzato un derivato di acidi grassi insaturi di origine vegetale combinato con acrilammide monomerica commerciale, micelle e sodio-alfa-linoleato come componenti di base. Il metodo proposto è un primo piano di studio per superare le sfide della produzione di idrogel Janus e aumentare la produzione di idrogel adesivo.
Preparazione degli idrogel Janus
Il team di ricerca ha progettato gli idrogel adesivi Janus regolando diverse proprietà tra ciascuna superficie del materiale, inclusa la sua morfologia, composizione chimica e idrofilicità.
Inizialmente, hanno sciolto il monomero tensioattivo in acqua deionizzata per creare una soluzione omogenea trasparente con una concentrazione superiore alla concentrazione micellare critica. Successivamente, il team ha aggiunto un monomero acrilammide e metilene bis-acrilammide per preparare l'idrogel e ha condotto una serie di caratterizzazioni chimiche sulla superficie e sul fondo dell'idrogel utilizzando la spettroscopia infrarossa in trasformata di Fourier.
Gli scienziati hanno notato forti picchi di assorbimento caratteristici relativi al gruppo funzionale dell'ammoniaca e al gruppo funzionale del carbonile. Hanno verificato questi risultati con la spettroscopia Raman per indicare la polimerizzazione dei radicali liberi del monomero durante la formazione dell'idrogel.
Ulteriori esperimenti
Gli scienziati hanno condotto studi di dinamica molecolare per identificare la distribuzione dei costrutti di biomateriali e mostrare le molecole aggregate all'interfaccia aria-acqua sotto tensione superficiale e forze motrici termiche. I risultati hanno mostrato come la composizione chimica del materiale variava a seconda delle superfici contribuendo alla sua morfologia e idrofilicità.
Il team ha condotto la microscopia elettronica a trasmissione per rivelare la composizione chimica e la morfologia fisica del materiale, con una chiara influenza sulle proprietà di adesione, per studiare le proprietà meccaniche e adesive dell'idrogel.
Poiché il costrutto bioingegnerizzato è un idrogel adesivo sensibile alla pressione, gli scienziati hanno ottenuto proprietà adesive sufficienti facilitando un buon contatto con il substrato del materiale. All'aumentare del contenuto di sodio-alfa-linoleato, i moduli di compressione della segnalazione dell'idrogel diminuivano, per facilitare un modulo di compressione dell'idrogel.
Sebbene la bassa compressione del materiale ne garantisse l'adesione, erano necessarie buone proprietà di trazione per regolare le proprietà fisiche del materiale e ottenere prestazioni ottimali. I risultati sperimentali totali hanno confermato l'ipotesi che il tensioattivo sodio-alfa-linoleato formava diverse distribuzioni nell'idrogel attraverso la tensione superficiale e gli effetti di evaporazione per creare un materiale adesivo Janus idrogel. I componenti della struttura offrivano forti proprietà adesive e prestazioni di lunga durata.
Caratterizzare la biocompatibilità del materiale
Chen e colleghi hanno caratterizzato gli idrogel per una serie di applicazioni mediche e ne hanno garantito la biocompatibilità considerando attentamente due principali componenti innocui secondo studi precedenti.
Il team ha convalidato i risultati eseguendo test di biocompatibilità con cellule di fibroblasti cutanei umani utilizzando un test transwell e tramite contatto diretto con materiali idrogel. Dopo ulteriori studi, gli idrogel non hanno mostrato tossicità nei confronti delle cellule fibroblastiche della pelle, evidenziando un'eccellente biocompatibilità con un grande potenziale per una varietà di applicazioni biomediche, tra cui la somministrazione di farmaci e la riparazione della pelle.
In questo modo, Huowen Chen e il gruppo di ricerca convalidano la composizione degli idrogel adesivi Janus sfruttando la distribuzione eterogenea dei tensioattivi ispirata alla loro naturale aggregazione all'interfaccia acqua-aria. Il team ha realizzato la sintesi in un'unica fase dell'idrogel adesivo Janus tramite polimerizzazione a radicali liberi. I risultati del materiale appena sviluppato hanno mostrato notevoli differenze nella composizione chimica, nella morfologia e nelle proprietà meccaniche.
Mentre la superficie superiore dell’idrogel Janus mostrava una struttura relativamente ruvida, il lato inferiore del materiale mostrava un’energia di adesione inferiore. La netta differenza tra le proprietà di adesione ha assicurato la preparazione dei biomateriali con la distribuzione eterogenea dei tensioattivi per fornire una nuova strategia sintetica per preparare gli idrogel Janus per un'ampia gamma di applicazioni pratiche. I risultati in corso offrono la capacità di esplorare diversi tensioattivi nella sintesi dell'idrogel Janus per studiarne il potenziale biomedico.
Ulteriori informazioni: Huowen Chen et al, Sintesi in un'unica fase dell'idrogel Janus tramite distribuzione eterogenea di α-linoleato di sodio guidata dall'autoaggregazione del tensioattivo, Progressi scientifici (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj3186
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