一种用于再生医学的新型生物材料：科学家开发了无细胞纳米复合活性水凝胶

宾夕法尼亚州立大学的研究人员表示，一种可以模仿生物组织内某些行为的生物材料可以推进再生医学、疾病建模、软机器人等

研究小组表示，到目前为止，为模拟组织和细胞外基质（ECM）而创建的材料——围绕和支持组织和细胞的蛋白质和分子的身体生物支架——都有局限性，阻碍了它们的实际应用。为了克服其中的一些局限性，研究人员开发了一种基于生物的“活”材料，该材料具有自愈特性，并模拟了ECM对机械应力的生物反应

他们在Materials Horizons上发表了他们的研究结果，该研究也登上了该杂志的封面

“我们开发了一种无细胞或无细胞材料，可以动态模拟ECM的行为，ECM是哺乳动物组织的关键组成部分，对组织结构和细胞功能至关重要，”通讯作者Amir Sheikhi说，他是化学工程副教授，也是Dorothy Foehr-Huck和J.Lloyd Huck生物材料和再生工程早期职业主席。

据研究人员称，他们之前的材料迭代——水凝胶或富水聚合物网络——是合成的，缺乏ECM的机械响应性和生物模拟的理想组合

Sheikhi说：“具体来说，这些材料需要复制非线性应变硬化，即ECM网络在细胞或外部刺激施加的物理力引起的应变下硬化。”他解释说，非线性应变硬化对于提供结构支撑和促进细胞信号传导很重要

“这些材料还需要复制组织结构和生存所需的自愈特性。之前的合成水凝胶在平衡材料复杂性、生物相容性和ECM的机械模拟方面存在困难。”

该团队通过开发由“毛状”纳米粒子制成的无细胞纳米复合活性水凝胶（LivGels）来解决这些局限性。纳米粒子由纳米晶体或“nLinkers”组成，末端有无序的纤维素链或“毛发”

这些毛发引入了各向异性，这意味着nLinkers根据其方向取向具有不同的性质，并允许与生物聚合物网络动态结合。在这种情况下，纳米粒子与改性海藻酸盐的生物聚合物基质结合，海藻酸盐是褐藻中发现的一种天然多糖

Sheikhi说：“这些nLinkers在基质中形成动态键，使应变硬化行为成为可能，即模仿ECM对机械应力的反应；以及自愈特性，在损伤后恢复完整性。”他指出，研究人员使用流变测试来测量材料在各种应力下的行为，以测量LivGels在高应变后恢复结构的速度。“这种设计方法允许对材料的机械性能进行微调，以匹配天然ECM的机械性能。”Sheikhi说，至关重要的是，这种材料完全由生物材料制成，避免了具有潜在生物相容性问题的合成聚合物。除了减轻先前开发的材料的局限性外，LivGels还实现了非线性力学和自愈的双重特性，而不会牺牲结构的完整性。nLinkers专门促进动态相互作用，从而精确控制刚度和应变刚化特性。总的来说，该设计方法将块状静态水凝胶转化为动态水凝胶，与ECM非常相似

与超过100000名依赖Phys.org获取日常见解的订阅者一起探索科学、技术和太空的最新进展。注册我们的免费时事通讯，每天或每周获取重要突破、创新和研究的最新进展

潜在的应用包括再生医学中组织修复和再生的支架，模拟药物测试的组织行为，以及为研究疾病进展创造现实的环境。研究人员表示，它还可以用于3D生物打印可定制的水凝胶，或用于开发具有适应性机械性能的软机器人

Sheikhi说：“我们的下一步包括针对特定组织类型优化LivGels，探索再生医学的体内应用，将LivGels与3D生物打印平台集成，以及研究动态可穿戴或植入式设备的潜力。”

宾夕法尼亚州立大学化学工程博士后学者Roya Koshani和宾夕法尼亚州立大学化工博士生Sina Kheirabadi是该论文的合著者。Sheikhi还隶属于生物医学工程系、化学系和神经外科系，以及哈克生命科学研究所 More information: Roya Koshani et al, Nano-enabled dynamically responsive living acellular hydrogels, Materials Horizons (2024). DOI: 10.1039/D4MH00922C

Journal information: Materials Horizons