Одним из самых обговариваемых материалов в современном мире является гидрогель. Данный биоматериал, состоящий из набухших в воде молекулярных сетей, применяется во многих биомедицинских отраслях. Возможность менять химические и механические свойства гидрогелей для имитации тканей и органов позволяет использовать его без опасений насчет потенциального вреда для организма. Гидрогели успешно применяются в тканевой инженерии и регенеративной медицине. Однако, несмотря на все преимущества, пока что не удавалось достичь быстрой и прочной адгезии между двумя гидрогелями. Ученые из Института биологической инженерии Висса (Бостон, США) создали простой и универсальный метод мгновенного и эффективного соединения слоев, изготовленных из одного или разных типов гидрогелей и других полимерных материалов. Как это было достигнуто, какую в этом роль сыграл хитозан, и где может применяться данная разработка? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
Гидрогели нашли широкое применение в биомедицине: от восстановления тканей до интеграции биоэлектронных устройств. Несмотря на эти достижения, способность быстро создавать сильную межфазную адгезию между сетками гидрогелевых полимеров в значительной степени остается нерешенной. Недавно сообщалось о стратегии адгезии гидрогеля с использованием связующего слоя жидкого хитозана (ТА от tough adhesive), которая не основана на образовании ковалентных связей. Этот подход на основе жидкого хитозана демонстрирует механизмы адгезии, зависящие от времени и pH. Хитозан (рКа ~ 6.5) со временем диффундирует в поверхность гидрогеля (рН > 6.5) и депротонируется. Депротонирование хитозана приводит к образованию водородных связей между полимерными цепями, что приводит к их связыванию и образованию молекулярных взаимоблокировок между связующим (мостиковым) полимером и адгезивной матрицей, что в совокупности приводит к трех-четырехкратному улучшению прочности адгезии по сравнению с альтернативными стратегиями, которые основаны только на образовании ковалентной связи.
Однако основным ограничением мостиковых полимеров на жидкой основе является то, что прочность адгезии зависит от времени. Это дополнительно затрудняется наличием гидратного слоя, который существует на влажных материалах и тканях и обычно требует от нескольких минут до часов для достижения равновесия из-за низкой диффузии макромолекул. В отличие от стратегий адгезии «на основе жидкости», «сухая» адгезия основана на быстром поглощении жидкостей на границе раздела гидрогель-гидрогель и одновременном химическом связывании, обеспечивающем мгновенную адгезию. Для создания прочной, стабильной и надежной адгезии предыдущие стратегии сухой адгезии требовали образования ковалентных связей непосредственно с адгезивом, что основывалось на определенных реакционноспособных функциональных группах и/или модификации поверхности подложек. Эти требования обычно включают сложную предварительную обработку адгезивов, введение высокореактивных функциональных групп или световое облучение, что может усложнить клиническое применение.
Чтобы преодолеть эти трудности, ученые продемонстрировали быструю адгезию гидрогеля к влажным тканям путем сочетания гидратации сухой прочной полимерной матрицы с жидкими мостиковыми полимерами хитозана. Несмотря на большой потенциал в создании адгезии гидрогеля к ткани, эти растворы мостикового полимера на жидкой основе оказались безуспешными в создании быстрой нековалентной адгезии между гидрогелями или гибридами гидрогеля и эластомера.
В рассматриваемом нами сегодня труде ученые решили эту проблему, используя сухие полимерные пленки с мостиками, которые создают мгновенную прочную адгезию между поверхностями гидрогель-гидрогель и гидрогель-эластомер посредством физических нековалентных взаимодействий, включая перепутывание цепей и водородные связи. Этот подход позволяет избежать необходимости сложных процедур склеивания и использования токсичных компонентов, демонстрируя простой и универсальный метод достижения адгезии между мягкими полимерными материалами.
Результаты исследования
Изображение №1
В отличие от ранее описанных мостиковых полимеров на жидкой основе, которые требуют диффузии в адгезивы и последующего перепутывания для создания адгезии, ученые создали сухие мостиковые полимеры на пленочной основе для создания быстрой адгезии. В частности, сухие хитозановые пленки используются для создания адгезии за счет локализованного и плотного поверхностного перепутывания и Н-связывания с жесткими альгинатно-полиакриламидными гидрогелями, т. е. гидрогелем с двойной сеткой, обладающим исключительной прочностью материала (1A). Визуализация в поляризованном свете и картирование элементов с помощью энергодисперсионной спектроскопии (EDS от energy dispersive spectroscopy) (1B) выявили область гомогенной хитозановой пленки (CF от chitosan film) на границе раздела между прилипшими жесткими гелями (TG от tough gel) после нанесения. Мгновенная (< 1 с) прочная адгезия была достигнута между гидрогелями в стандартных условиях (1C и видео №1) и при растяжении (1D).
Видео №1
Чтобы оценить универсальность этого подхода к адгезии на основе сухой пленки, несколько полимерных пленок на основе мостиковых полимеров с различными функциональными группами, такими как группы амина (-NH2) и карбоновой кислоты (-COOH), включая поли(аминостирол) (PAS), поли (акриловая кислота) (PAAc) и карбоксиметилхитозан (CMC) также были исследованы на предмет их влияния на связь гидрогель-гидрогель.
PAS (pKa ~ 4.5), полимер с высокой плотностью первичных аминов, достиг более слабой адгезии по сравнению с хитозаном, демонстрируя, что простое присутствие аминных функциональных групп не является единственной причиной наблюдаемой сильной адгезии с CF. Попытки дальнейшего выяснения роли функциональных групп амина в процессе адгезии гидрогеля не увенчались успехом, поскольку другие аминосодержащие полимеры, такие как поли(аллиламин) (PAA) и полиэтиленимин (PEI), были неспособны образовывать пленки после испарения растворителя, что могло привести к образованию пленок. Это связано с их гибкими основными цепями C–C, небольшими боковыми группами или более короткими длинами полимерных цепей.
Затем ученые оценили характеристики полимерных пленок, содержащих группы карбоновых кислот, способные образовывать водородные связи, включая PAAc (pKa ~ 4.5) и CMC (pKa ~ 2–4). В отличие от сильной адгезии CF, пленки, полученные из PAAc или CMC, не продемонстрировали каких-либо адгезионных свойств в анализе связывания гидрогель-гидрогель.
Изображение №2
Таким образом, в отличие от всех других полимерных пленок, способных образовывать водородные связи, пленки на основе хитозана обеспечивают мгновенную (< 1 с) прочную адгезию между соседними гидрогелями и достигают самой высокой энергии адгезии (2A).
Оценивая результаты, полученные на различных полимерных пленках, использованных в исследовании адгезии гидрогелей, важно отметить, что карбоновые кислоты становятся заряженными и теряют часть своей способности образовывать Н-связи при pH > pKa, а аминогруппы теряют свой заряд и приобретают способность образовывать Н-связи при pH > pKa. Поскольку все гидрогели были изготовлены в буфере сбалансированного солевого раствора Хэнкса (HBSS от Hanks’ Balanced Salt Solution) (pH ~ 7.4) и только хитозан (pKa ~ 6.5) был способен генерировать сильную адгезию гидрогель-гидрогель в этих условиях, эти наблюдения позволяют предположить, что мостиковые полимеры, используемые в качестве сухих пленок, должны быть способны как образовывать Н-связи, так и демонстрировать сильные межцепные взаимодействия в пределах целевого диапазона pH рассматриваемой гидрогелевой системы.
CF продемонстрировали прочные механические свойства в сухом состоянии, что может способствовать их сильной адгезии к TG. На энергию адгезии, генерируемую между TG, не влияла толщина сухой пленки хитозана, несмотря на различия в характере складок пленок после размещения на поверхности гидрогеля (2B). При более толстых пленках морщины становились минимальными, вероятно, из-за присущей пленке жесткости на изгиб, при этом сохранялась сильная адгезия. Более толстые CF показали повышенные модули, что могло быть связано с изменениями упаковки во время обезвоживания и различиями уровней гидратации в зависимости от влажности окружающей среды.
Поскольку пленки не подвергаются химической сшивке, многие из протестированных пленок мостикового полимера растворяются при погружении в жидкость с нейтральным pH. Тем не менее серийная конфокальная визуализация выявила стабильную толщину CF после нанесения между гелями в течение 100 минут. Это позволяет предположить, что CF остаются в виде отдельного слоя между гелями и не подвергаются значительному набуханию, несмотря на отсутствие какой-либо обширной ковалентной сшивки между цепями. Адгезия TG к CF была настолько сильной, что после испытания на отслаивание на мостиковой поверхности хитозана наблюдался остаточный материал TG из-за разрушения сцепления с матрицей TG. После инкубации в модифицированной среде Игла Дульбекко (DMEM от Dulbecco’s Modified Eagle Medium) при 37 °C в течение 12, 24 и 48 часов сохранялась высокая энергия адгезии, хотя со временем наблюдалось некоторое снижение из-за нарушения когезионной способности, что подчеркивает устойчивую эффективность этой системы даже при сложных условия (2C).
Хотя первоначальные исследования были сосредоточены на адгезии гидрогелей к гидрогелям, создание адгезии между гидрогелями и эластомерами также было проблемой, поскольку традиционные методы основаны на токсичных клеях, функционализации поверхности или сложных процедурах.
CF обеспечили быстрое и прочное соединение между TG и акриловыми эластомерами (VHB), возможно, за счет кооперативного нековалентного связывания между плотной пленкой и двумя адгезивами (2D). Прикрепление TG-CF к VHB обеспечивало мгновенную прочную адгезию (до > 4000 Дж/м2) (2E и видео №2), без необходимости химической обработки и использования ультрафиолетового света.
Видео №2
Эта быстрая адгезия, вероятно, обусловлена совместным вкладом как множественных взаимодействий Ван-дер-Ваальса, так и водородных связей между полимерными цепями хитозана и полиакрилатной сеткой VHB. Однако рентгенофотоэлектронная спектроскопия не выявила азота в этих эластомерных сетках. Это позволяет предположить, что присутствие азотсодержащих функциональных групп не требуется для адгезии, опосредованной CF.
Дополнительные исследования характеристик с использованием рамановской спектроскопии выявили наличие карбонильных групп C=O в VHB, которые могут соответствовать функциональным группам либо сложного эфира, либо карбоновой кислоты, обе из которых могут способствовать некоторым нековалентным взаимодействиям. Адгезия к VHB также была стабильной и оставалась неизменной после инкубации в культуральной среде в течение 24 часов (2F).
Помимо высокой прочности адгезии, также было замечено, что простое одноэтапное добавление этого эластомерного покрытия VHB к поверхности гидрогеля замедляет дегидратацию гидрогеля. Это позволяет предположить его полезность в биомедицинских приложениях, где гидрогели могут подвергаться воздействию внешней среды.
Изображение №3
Для дальнейшего исследования механизма адгезии CF к TG сначала был рассмотрен потенциальный вклад электростатических взаимодействий. Хотя альгинат несет отрицательный заряд, а хитозан — положительный заряд при нейтральном pH (3A), межфазная прочность, сравнимая с прочностью жидкого хитозана, через 24 часа была достигнута мгновенно в чистых нейтральных гелях, содержащих только PAAm, с использованием CF (3B). Это наблюдение подтверждает, что энергия адгезии зависит от механики геля. Следовательно, эту стратегию можно распространить на другие композиции гидрогелей. Кроме того, степень набухания TG также влияет на прочность адгезии, что позволяет предположить, что плотность полимерных цепей в месте адгезии, уровень гидратации и структура/топология гидрогеля также могут играть важную роль в процессе адгезии.
Предыдущие исследования показали, что гидрогели с pH ниже 6.5 демонстрируют пониженную межфазную вязкость при использовании жидкого хитозана в качестве мостикового полимера. Это является результатом уменьшения депротонирования аминных функциональных групп в полимерных цепях хитозана. Эта зависимость адгезии от pH представляет собой практическую проблему в биомедицинском контексте, поскольку pH тканей человека и прилегающей к ним среды может сильно различаться. Потому необходимо было проверить, присутствуют ли эти эффекты pH в сухой адгезии на основе CF.
Уменьшение pH Alg-PAAm TG снижает энергию адгезии (3C и 3D), но не механику TG. Это позволяет предположить, что pH адгезивов влияет на адгезию при использовании сухих CF. Дальнейшие исследования показали, что депротонирование аминогрупп в CF путем погружения в 1 М NaOH ингибирует последующую адгезию гидрогеля к гидрогелю (3E и 3F). На основании этих наблюдений можно предположить, что депротонирование CF перед применением создает более сильные взаимодействия между цепями хитозана, предотвращая их взаимодействие с подложками гидрогеля.
Помимо pH и электростатики, важность поверхностного взаимодействия для создания адгезии оценивалась с использованием гелей с различной топологией поверхности (3G). Гидрогели, нанесенные на гидрофобный кислородпроницаемый поликарбонат, который увеличивает присутствие оборванных цепей PAAm в структуре двойной сетки, препятствуя процессу свободнорадикальной полимеризации на поверхности, продемонстрировали значительно меньшую адгезию (3H). TG, отлитые на поликарбонатные подложки, показали некоторое снижение механических свойств, однако этот подход полностью устранял адгезию.
Изображение №4
Поскольку сухие CF обеспечили беспрецедентную мгновенную адгезию между Alg-PAAm и гидрогелями, содержащими только PAAm, было изучено несколько примеров для проверки концепции их применения в качестве быстро самоклеящихся биоматериалов при интеграции с TG или TA (4A).
Например, TG можно легко обернуть вокруг пальца (4B). А высокая теплопроводность воды в TG может быть использована для локального охлаждения тканей. После нанесения TG на поверхность ладони температура кожи снизилась (4C) из-за повышенного содержания воды в TG. Это свойство может иметь клиническое значение для пациентов, страдающих ожоговыми травмами, за счет поддержания местного охлаждения и предотвращения быстрой потери жидкости через поверхность раны.
Образование фиброзных спаек после хирургического вмешательства или травмы является весьма распространенным явлением и может иметь серьезные последствия. Хотя коммерческие технологии, такие как Seprafilm, обеспечивают гидрофильный барьер хирургической адгезии, их широкое применение ограничено плохими механическими свойствами. Кроме того, эти материалы могут быстро разлагаться в водной среде и поэтому противопоказаны во многих операциях, где послеоперационные спайки являются основной проблемой, например, в случаях кишечного анастомоза.
Поскольку сами по себе TG не прикрепляются к тканям, самоклеящаяся система TG-CF может быть полезна для внутреннего применения, где требуется адгезия геля к гелю, но не прилипание к подлежащим тканям. Это позволяет сохранять плоскости ткани и одновременно способствовать физиологическому скольжению, то есть антиадгезии с соседними структурами. Ученые успешно продемонстрировали, что самоклеящуюся гидрогелевую конструкцию можно легко обернуть вокруг кишечника (4D), сухожилий (4E и 4G) и периферических нервов (4F и 4H), подчеркивая их потенциальное применение в качестве антиадгезионного барьера с окружающими тканями.
Также была проверена возможность применения системы TG-CF для обеспечения механического усиления гидрогелей, используемых в качестве внутренних герметиков для устранения утечек жидкости в организме. В этом исследовании ex vivo, используя жидкий хитозан для облегчения адгезии TG к тканям, ученые исследовали, может ли добавление CF служить клинически значимым и биосовместимым материалом гидрогелевой основы для увеличения пикового давления разрыва (4I). CF был нанесен на жидкий хитозан, прикрепленный к TG, на поверхности модели артериотомии аорты свиньи и выдержал тысячи смоделированных сердечных циклов. Это подчеркивает простую стратегию повышения его устойчивости к разрывному давлению (4J). Кроме того, измеренное давление разрыва может быть дополнительно увеличено за счет использования более толстых (более жестких) CF (4K).
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые продемонстрировали простую и универсальную стратегию создания прочной адгезии между полимерными сетками, включая жесткие гидрогели и акриловые эластомеры.
Опираясь на нековалентные взаимодействия, опосредованные сухими хитозановыми мостиковыми полимерными пленками, система не требует какой-либо предварительной функционализации поверхности или реактивных функциональных групп для образования ковалентной связи.
Фундаментальным элементом данной разработки стал хитозан. Этот сахаристый полимер легко получить из хитиновых панцирей моллюсков. Это уже применяют в самых разных отраслях, от сельского хозяйства (в качестве биопестицидов) до лечения ран. Ученые обнаружили, что пленки хитозана обеспечивают быстрое и прочное соединение гидрогелей за счет химических и физических взаимодействий.
Вместо создания новых химических связей, основанных на совместном использовании электронов между отдельными атомами (ковалентные связи), вызванных крошечным сдвигом pH, сахаристые нити хитозана быстро поглощают воду, находящуюся между слоями гидрогеля, и запутываются в полимерных слоях гидрогелей, образуя множество связи посредством электростатических взаимодействий и водородных связей (нековалентные связи). Это приводит к тому, что силы сцепления между гидрогелями значительно превышают силы, создаваемые традиционными подходами к связыванию гидрогелей.
Авторы разработки уверены в том, что их творение станет важной составляющей хирургии будущего. Отличные результаты опытов доказывают, подобного рода исследования играют важнейшую роль для разработки композитных гидрогелей и устройств, взаимодействующих с человеческим телом, где требуется быстрая и надежная адгезия между гидрогелями и другими полимерными материалами.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
