Biohybrid-Material verhält sich wie Knorpel

Die Herstellung von Biomaterialien, die der Leistung von Knorpel und Sehnen entsprechen, war für Wissenschaftler ein schwer fassbares Ziel, aber ein neues Material, das in Cornell entwickelt wurde, zeigt einen vielversprechenden neuen Ansatz zur Nachahmung von natürlichem Gewebe.

Die Ergebnisse wurden am 8. Juli in veröffentlicht Proceedings of the National Academy of Sciencesund stellen eine neue Strategie zur Synthese klinischer Lösungen für geschädigtes Gewebe bereit.

Das Gewebe muss weich genug sein, um sich zu biegen und zu biegen, aber robust genug, um einer längeren Belastung standzuhalten – zum Beispiel dem Gewicht, das eine Kniesehne tragen muss. Wenn Gewebe abgenutzt oder beschädigt ist, haben Kollagenhydrogele und synthetische Materialien das Potenzial, als Ersatz zu dienen, aber keines von beiden allein besitzt die richtige Kombination aus biologischen und mechanischen Eigenschaften von natürlichem Gewebe.

Jetzt haben Cornell-Forscher ein Biohybrid-Verbundmaterial mit den wesentlichen Eigenschaften eines natürlichen Gewebes entwickelt. Das Material besteht aus zwei Hauptbestandteilen: Kollagen – das dem Material seine Weichheit und Biokompatibilität verleiht – und einem synthetischen zwitterionischen Hydrogel, das positiv und negativ geladene Molekülgruppen enthält.

„Diese Ladungsgruppen interagieren mit den negativ und positiv geladenen Gruppen im Kollagen, und diese Wechselwirkung ermöglicht es den Materialien, Energie abzuleiten und ein hohes Maß an Zähigkeit zu erreichen“, sagte Lawrence Bonassar, Daljit S. und Elaine Sarkaria Professor für Biomedizinische Technik am College of Engineering und Co-Erstautor der Studie.

Das Biohybrid-Verbundmaterial nähert sich der Leistung von Gelenkknorpel und anderen biologischen Geweben an und besitzt 40 % mehr Elastizität und die 11-fache Bruchenergie – ein Maß für die Haltbarkeit – des zwitterionischen Materials selbst.

Nikolaos Bouklas, Assistenzprofessor an der Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering und Co-Hauptautor der Studie, sagte, die Biokompatibilität des Materials bedeutet, dass es Zellen rekrutieren und am Leben erhalten kann.

„Letztendlich wollen wir etwas für die regenerative Medizin schaffen, etwa ein Stück Gerüst, das einigen anfänglichen Belastungen standhält, bis sich das Gewebe vollständig regeneriert hat“, sagte Bouklas. „Mit diesem Material könnte man ein poröses Gerüst mit Zellen in 3D drucken, aus denen schließlich das eigentliche Gewebe um das Gerüst herum entstehen könnte.“

Darüber hinaus baut sich das biohybride Material selbst zusammen, sobald die beiden Zutaten gemischt werden, sagte Bouklas, und erzeugt „dasselbe miteinander verbundene Kollagennetzwerk, das in natürlichem Knorpel zu sehen ist, das ansonsten extrem schwer herzustellen wäre“.

Die Forschung brachte vier Forschungslabors aus drei verschiedenen Abteilungen zusammen. Das im Biohybrid-Verbundstoff verwendete Kollagen war bereits in Bonassars Labor entwickelt worden, während das zwitterionische Hydrogel von den Co-Autoren der Studie, Robert Shepherd, außerordentlicher Professor an der Sibley School, und Emmanuel Giannelis, Walter R. Read-Professor für Ingenieurwissenschaften, entwickelt wurde im Fachbereich Werkstoffwissenschaften und Werkstofftechnik.

Die Autoren der Studie erforschen das Material und die molekularen Prozesse hinter seiner Synthese weiter. Bonassar sagte, das Material sei gut geeignet für die Art des Bioprintings, das in seinem Labor entwickelt wurde, und die Autoren haben begonnen, damit zu experimentieren, es als 3D-Druckmaterial zu verwenden.