Forscher der Penn State University haben ein bahnbrechendes neues Biomaterial vorgestellt, das als „lebende Hydrogele“ oder LivGels bezeichnet wird und die komplexen Funktionen natürlicher extrazellulärer Matrizen (ECM) nachahmt. Diese innovativen Materialien versprechen großes Potenzial für die regenerative Medizin, die weiche Robotik und die Medikamentenprüfung, da sie selbstheilende Eigenschaften und eine Reaktion auf mechanischen Stress aufweisen.
Traditionelle synthetische Biomaterialien hatten Schwierigkeiten, die komplexen Verhaltensweisen von ECM zu replizieren, die eine lebenswichtige strukturelle und signalgebende Unterstützung für Zellen bieten. LivGels hingegen überwinden diese Einschränkungen durch die Verwendung einer einzigartigen Kombination von haarigen Nanopartikeln, die als nLinkers bekannt sind, um eine dynamische Struktur mit verbesserten mechanischen und biologischen Eigenschaften zu schaffen.
Diese nLinkers, die durch ungeordnete Celluloseketten „Haare“ gekennzeichnet sind, bilden anisotrope Verbindungen in der biopolymeren Matrix, was zu einem Material führt, das Dehnungsverfestigung und Selbstheilungseigenschaften aufweist. Das bedeutet, dass LivGels als Reaktion auf Stress steifer werden können, strukturelle Unterstützung bieten und die Zellkommunikation erleichtern, und sie können ihre Form und mechanischen Eigenschaften nach einer Verformung auch schnell wiederherstellen.
Die vollständig biologische Zusammensetzung von LivGels behebt Bedenken hinsichtlich Biokompatibilitätsproblemen, die mit synthetischen Polymeren verbunden sind. Durch die sorgfältige Konstruktion der Wechselwirkungen zwischen den nLinkers und der biopolymeren Matrix aus modifiziertem Alginat haben die Forscher ein Material geschaffen, das sich an interne und externe Stressoren anpasst.
LivGels haben das Potenzial, die Methoden zur Medikamentenprüfung zu revolutionieren, indem sie simulierte Gewebsumgebungen bereitstellen, die die in-vivo-Bedingungen genauer nachahmen. Dies könnte zu einer höheren Genauigkeit von klinischen Studien führen, die Kosten senken und die Zeit verkürzen, die für die Markteinführung neuer Therapeutika benötigt wird.
Die Anpassungsfähigkeit von LivGels hat auch wichtige Auswirkungen auf das Gebiet der weichen Robotik, wo anpassbare Hydrogele auf bestimmte mechanische Eigenschaften zugeschnitten werden können. Darüber hinaus könnten LivGels in 3D-Biodrucktechnologien verwendet werden, um hochgenaue Gewebskonstruktionen für regenerative Therapien zu erstellen.
Das Forschungsteam konzentriert sich nun auf die Optimierung von LivGels für bestimmte Gewebetypen und die Untersuchung ihrer Wirksamkeit in vivo. Sie untersuchen auch die Integration dieser lebenden Hydrogele in 3D-Biodruckaufbauten, um maßgeschneiderte Materialien und dynamische Geräte zu schaffen, die sich in Echtzeit an die physiologischen Bedingungen des Körpers anpassen können.
Diese bahnbrechende Arbeit ist ein wichtiger Schritt in Richtung der Integration von biologischer Funktionalität in technische Materialien. LivGels bieten beispiellose Möglichkeiten, die mechanische und biologische Nachahmung von Geweben voranzutreiben, und verändern damit die regenerative Medizin und verwandte Bereiche.