Oamenii de ştiinţă fac progrese în domeniul medicinei regenerative cu o reuşită majoră.
Când apăsăm degetul pe piele, ţesutul de dedesubt se rigidizează temporar pentru a rezista presiunii. Dacă ne tăiem, ţesutul se va vindeca treptat. Aceste reacţii aparent simple s-au dovedit extrem de dificil de reprodus în materiale sintetice. Acum, cercetătorii de la Penn State au făcut o descoperire prin dezvoltarea unor hidrogeluri speciale care pot imita aceste comportamente complexe ale ţesuturilor.
Ţesuturile corpului uman sunt susţinute de o schelă complexă numită matrice extracelulară (ECM). Acest cadru natural oferă suport structural pentru celule şi ajută ţesuturile să îşi menţină forma şi funcţia. Atunci când ţesutul sănătos este supus unei presiuni sau unei tensiuni, ECM reacţionează devenind temporar mai rigidă, o proprietate care ajută la protejarea organelor şi ţesuturilor de leziuni. În plus, ţesuturile pot repara leziunile minore prin procese naturale de vindecare.
Într-un nou studiu publicat în revista Materials Horizons, cercetătorii au descoperit o modalitate de a recrea aceste proprietăţi biologice sofisticate în materiale fabricate în laborator.
„Am dezvoltat un material fără celule (acelular) care imită în mod dinamic comportamentul acestor ECM, care sunt componente cheie ale ţesuturilor mamiferelor, esenţiale pentru structura ţesuturilor şi funcţiile celulare”, explică autorul corespondent conf. univ. dr. Amir Sheikhi, profesor de inginerie chimică la Penn State, într-un comunicat.
Crearea de materiale sintetice care pot reproduce aceste comportamente sofisticate s-a dovedit extrem de dificilă. Încercările anterioare de utilizare a hidrogelurilor sintetice, materiale alcătuite în principal din apă şi reţele de polimeri, au eşuat. Aceste versiuni anterioare nu au putut imita în mod corespunzător modul în care ţesuturile naturale răspund la forţele mecanice, menţinând în acelaşi timp capacitatea de autovindecare.
Noul biomaterial dezvoltat de inginerii de la Penn State imită o componentă cheie a ţesuturilor umane, matricele extracelulare, care acţionează ca un schelet şi permit celulelor să se vindece după deteriorare.
„În mod specific, aceste materiale trebuie să reproducă rigidizarea neliniară la deformare, adică atunci când reţelele ECM se rigidizează sub deformarea cauzată de forţele fizice exercitate de celule sau de stimuli externi”, explică Sheikhi.
Echipa Penn State a rezolvat această problemă prin dezvoltarea a ceea ce ei numesc „LivGels” folosind o combinaţie inovatoare de materiale naturale. Ei au început cu alginat, un polimer derivat din alge marine, şi l-au modificat pentru a crea o reţea flexibilă. Apoi au creat nanoparticule speciale din celuloză modificată din pastă de lemn. Aceste particule minuscule, numite nLinkers, au formă de tijă, cu „fire de păr” moleculare speciale la capetele lor, care pot forma legături chimice reversibile.
Particulele nLinker acţionează ca puncte de legătură dinamice în întreaga reţea de gel. Atunci când gelului i se aplică o forţă, aceste legături se pot rupe temporar şi se pot reforma în configuraţii noi, permiţând materialului să devină mai rigid ca răspuns la stres. Atunci când materialul este deteriorat, aceleaşi conexiuni reversibile permit autovindecarea.
Prin teste atente, cercetătorii au demonstrat că pot controla proprietăţile gelului prin ajustarea a doi factori-cheie: concentraţia de particule nLinker şi numărul de ioni de calciu adăugaţi pentru a crea puncte de conexiune suplimentare. Această capacitate de reglare înseamnă că pot crea geluri cu diferite niveluri de rigiditate şi receptivitate pentru a se potrivi cu diferite tipuri de ţesuturi umane, de la ţesut cerebral moale la ţesut muscular mai ferm.
Acest material autoregenerant ar putea fi extrem de important pentru medicina regenerativă în diferite tipuri de ţesuturi corporale.
Foto: Un biomaterial nou, dezvoltat de cercetătorii de la Penn State imită o componentă cheie a ţesuturilor umane, matricele extracelulare, care acţionează ca un schelet şi permit celulelor să se vindece după deteriorare. (Credit: Grupul de cercetare Sheikhi/Penn State, februarie 2025).
Spre deosebire de alternativele sintetice anterioare care au ridicat probleme legate de biocompatibilitate, acest hidrogel evită complet polimerii sintetici.
Cercetătorii au utilizat metode de testare specializate pentru a demonstra că LivGels îşi poate recupera rapid structura după ce a fost supus unei tensiuni mari, confirmând astfel capacităţile sale de autovindecare.
În medicina regenerativă, aceste noi materiale ar putea servi drept suport pentru repararea şi regenerarea ţesuturilor, oferind celulelor un mediu care imită mai bine ţesuturile naturale.
Pentru dezvoltarea medicamentelor, aceste materiale ar putea crea modele de ţesuturi mai realiste pentru testarea noilor medicamente. De asemenea, acestea ar putea permite dezvoltarea unor materiale chirurgicale îmbunătăţite şi a unor pansamente care să promoveze în mod activ vindecarea.
Dincolo de aplicaţiile medicale, aceste materiale ar putea avansa în domeniul roboticii moi, permiţând crearea de roboţi cu piese care îşi pot schimba rigiditatea în funcţie de necesităţi şi se pot repara singure atunci când sunt deteriorate. Tehnologia ar putea găsi, de asemenea, aplicaţii în bioimprimarea 3D, unde aceste geluri ar putea fi utilizate pentru a crea structuri personalizate asemănătoare ţesuturilor.
„Următorii paşi includ optimizarea LivGels pentru tipuri specifice de ţesuturi, explorarea aplicaţiilor in vivo pentru medicina regenerativă, integrarea LivGels cu platforme de bioimprimare 3D şi investigarea potenţialului în dispozitive dinamice portabile sau implantabile”, spune Sheikhi.
Imitând cu succes proprietăţile dinamice ale ţesuturilor naturale, aceste hidrogeluri deschid noi posibilităţi pentru o multitudine de aplicaţii, de la implanturi medicale îmbunătăţite la modele de boli mai realiste. Deşi mai sunt necesare teste semnificative înainte de utilizarea clinică, acest progres demonstrează modul în care înţelegerea sistemelor biologice naturale poate stimula inovarea în ştiinţa materialelor.
Rezumatul cercetării
Cercetătorii şi-au dezvoltat hidrogelurile prin intermediul unui proces atent conceput. În primul rând, au modificat chimic alginatul pentru a crea un polimer care formează o reţea cu puncte speciale de fixare. Separat, au transformat celuloza din pulpă de lemn printr-o serie de reacţii chimice pentru a crea particulele nLinker, care prezintă două tipuri de grupuri chimice care pot forma legături reversibile. Prin combinarea acestor componente în diferite proporţii, uneori cu adaos de ioni de calciu, ei au creat geluri cu proprietăţi diferite. Apoi au folosit echipamente specializate pentru a măsura modul în care gelurile au răspuns la diferite tipuri de stres şi deformări mecanice.
Rezultate
Testele au arătat că hidrogelurile îşi pot creşte rigiditatea atunci când sunt supuse unor forţe mecanice, la fel ca ţesuturile naturale. Ele au demonstrat o autovindecare rapidă, recuperându-şi proprietăţile în câteva secunde după ce au fost supuse unei tensiuni mari. Mai important, gelurile au atins valori ale rigidităţii (30-591 Pa) comparabile cu cele ale ţesuturilor moi naturale, iar proprietăţile lor pot fi ajustate prin modificarea compoziţiei.
Limitări
Deşi rezultatele sunt promiţătoare, cercetarea s-a axat în principal pe proprietăţile mecanice, mai degrabă decât pe interacţiunile biologice. Ar fi necesare studii suplimentare pentru a înţelege pe deplin modul în care aceste materiale interacţionează cu celulele şi ţesuturile vii în timp. Rigiditatea maximă obţinută a fost, de asemenea, limitată în comparaţie cu unele tipuri de ţesuturi mai ferme.
Concluzii
Această cercetare prezintă o nouă abordare în crearea de hidrogeluri dinamice utilizând componente derivate în mod natural. Materialele au imitat cu succes proprietăţile mecanice cheie ale ţesuturilor naturale, inclusiv rigidizarea la deformare şi autovindecarea. Reglabilitatea şi compoziţia lor naturală le fac deosebit de promiţătoare pentru aplicaţii biomedicale.
Informaţii privind publicarea
Cercetarea a fost publicată în volumul 12/2025 a revistei Materials Horizons (paginile 103-118) de către autorii Roya Koshani, Sina Kheirabadi şi Amir Sheikhi de la departamentele de inginerie chimică, inginerie biomedicală, chimie şi institute afiliate ale Universităţii de Stat din Pennsylvania Statele Unite). Lucrarea se intitulează „Hidrogeluri acelulare vii cu răspuns dinamic activate de nanotehnologii/Nano-enabled dynamically responsive living acellular hydrogels”.
