По мнению группы исследователей из Иллинойского университета в Чикаго, новые материалы на основе гидрогеля, которые могут изменять форму в ответ на психологические стимулы, такие как вода, могут стать следующим поколением материалов, используемых в тканях и органах биоинженерии.
В новой статье, опубликованной в журнале Advanced Functional Materials, исследовательская группа, возглавляемая Эбеном Альсбергом, профессором биомедицинской инженерии Ричарда и Лоан Хилл, разработала вещества, которые показывают, что уникальные материалы могут сворачиваться в трубки под действием воды, создавая материалы хорошие кандидаты для биоинженерии кровеносных сосудов или других трубчатых структур.
В природе эмбриональное развитие и заживление тканей часто связаны с высокой концентрацией клеток и сложными архитектурными и организационными изменениями, которые в конечном итоге приводят к окончательной морфологии и структуре ткани.
Для тканевой инженерии традиционные методы включают, например, культивирование биоразлагаемых полимерных каркасов с клетками в биокамерах, заполненных жидкими питательными веществами, которые поддерживают жизнь клеток. Со временем при поступлении соответствующих сигналов количество клеток увеличивается и образуется новая ткань, которая принимает форму каркаса по мере его разрушения. Например, каркас в форме уха, засеянный клетками, способными продуцировать хрящ и кожную ткань, может в конечном итоге стать пересаживаемым ухом.
Однако геометрически статический каркас не может обеспечить формирование тканей, которые динамически меняют форму с течением времени, или облегчить взаимодействие с соседними тканями, которые меняют форму. Высокая плотность клеток также обычно не используется и / или не поддерживается каркасами.
"Использование высокой плотности клеток может быть выгодным в тканевой инженерии, поскольку это обеспечивает усиление межклеточных взаимодействий, которые могут способствовать развитию ткани," сказал Альсберг, который также является профессором ортопедии, фармакологии, машиностроения и промышленной инженерии в UIC.
Введите четырехмерные материалы, которые похожи на трехмерные материалы, но они меняют форму, когда подвергаются воздействию определенных факторов окружающей среды, таких как свет или вода. Эти материалы рассматривались биомедицинскими инженерами как потенциальные новые структурные субстраты для тканевой инженерии, но большинство доступных в настоящее время 4-D материалов не являются биоразлагаемыми или совместимыми с клетками.
Чтобы воспользоваться преимуществами перспективных 4-мерных материалов для приложений биоинженерии, Альсберг и его коллеги разработали новые 4-мерные материалы на основе желатиноподобных гидрогелей, которые меняют форму со временем в ответ на добавление воды, являются совместимыми с клетками и биоразлагаемыми. что делает их отличными кандидатами для продвинутой тканевой инженерии. Гидрогели также поддерживают очень высокую плотность клеток, поэтому они могут быть сильно засеяны клетками.
В статье исследователи описывают, как воздействие воды вызывает набухание гидрогелевых каркасов по мере поглощения воды. Степень набухания можно регулировать, например, изменяя характеристики гидрогелевого материала, такие как скорость его разложения или концентрация сшитых полимеров – цепей белка или полисахарида в данном случае – которые включают гидрогели. Чем выше концентрация полимера и сшивание, тем меньше и медленнее данный гидрогель будет поглощать воду, вызывая изменение формы.
Исследователи обнаружили, что при наложении слоев гидрогелей с разными свойствами, таких как стопка бумаги, разница в водопоглощении между слоями приводит к изгибу стопки гидрогелей в форме буквы С. Если стопка достаточно изгибается, образуется трубчатая форма, напоминающая такие структуры, как кровеносные сосуды и другие трубчатые органы.
Они также обнаружили, что можно откалибровать систему, чтобы контролировать время и степень изменения формы, которое произошло. Исследователям удалось внедрить стволовые клетки костного мозга в гидрогель с очень высокой плотностью – самой высокой плотностью клеток, когда-либо зарегистрированной для 4-D материалов – и сохранить их жизнь, что является значительным достижением в биоинженерии, имеющим практическое применение.
В статье исследователи описали, как изменяющий форму содержащий клетки гидрогель может быть превращен в ткани, подобные костям и хрящам. 4-мерная биопечать этого гидрогеля также была реализована для получения уникальных конфигураций для достижения более сложных 4-мерных архитектур.
"Используя наши двухслойные гидрогели, мы можем не только контролировать степень изгиба материала и его временную прогрессию, но, поскольку гидрогели могут поддерживать высокую плотность клеток, они более точно имитируют, сколько тканей формируется или заживает естественным путем," сказал Юй Бин Ли, исследователь биомедицинской инженерии и первый автор статьи. "Эта система является многообещающей для тканевой инженерии, но также может использоваться для изучения биологических процессов, участвующих в раннем развитии."