Das Team stellt Chitin-Hydrogel durch chemische Umwandlung von Chitosan her

Chitin-Hydrogel gilt als vielversprechendes Material für eine Vielzahl biomedizinischer Anwendungen. Aufgrund seiner Biokompatibilität und biologischen Abbaubarkeit eignet es sich für die Gewebereparatur, künstliche Organe und die Wundheilung. Dennoch stehen Wissenschaftler bei der Herstellung von Chitin-Hydrogelen weiterhin vor Herausforderungen. Ein Forscherteam hat eine umweltfreundliche, effiziente und skalierbare Herstellungsmethode für Chitin-Hydrogele entwickelt.

Die Arbeit des Teams liefert eine rationale Strategie zur Herstellung von Chitin-Hydrogelen und ebnet den Weg für deren praktische Anwendung als überlegenes biomedizinisches Material.

Ihre Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Nanoforschung.

Chitin, das zweithäufigste natürliche Polymer, ist eine Substanz, die aus den Außenskeletten von Krabben, Garnelen und Insekten stammt. Chitin ist erneuerbar, abbaubar, biokompatibel und kostengünstig. Diese Eigenschaften machen es zu einem hervorragenden Kandidaten für verschiedene biomedizinische Anwendungen.

„Chitin-Hydrogel, das viele Ähnlichkeiten mit der extrazellulären Matrix aufweist, ist ein ideales Material für Tissue Engineering und regenerative Medizin. Allerdings ist es eine Herausforderung, Chitin in wässrigen Lösungen aufzulösen, um Hydrogel-Materialien herzustellen. Daher ist die Entwicklung rationaler Materialien von großer Bedeutung.“ Herstellungsstrategie“, sagte Li-Bo Mao, Professor an der Universität für Wissenschaft und Technologie in China.

Um in biomedizinischen Anwendungen nützlich zu sein, muss das Chitin-Hydrogel biologisch sicher sein und die entsprechende mechanische Festigkeit und chemische Stabilität aufweisen. Es muss Biofouling widerstehen, das zu einer Entzündungsreaktion oder einer Immunabstoßung im menschlichen Körper führen könnte. Für den kommerziellen Einsatz muss das Chitin-Hydrogel außerdem kostengünstig und skalierbar sein.

Die Herausforderungen bei der Herstellung eines starken Chitin-Hydrogels ergeben sich aus der Unlöslichkeit von Chitin in vielen Lösungsmitteln und der verringerten Kettenlänge von Chitin, das aus Lösungen regeneriert wird. Biopolymer-Hydrogele werden typischerweise in einem zweistufigen Verfahren hergestellt: der Auflösung des Biopolymers und der anschließenden Gelierung.

Allerdings ist Chitin aufgrund der zahlreichen inter- und intramolekularen Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Polymerketten nicht in Wasser oder anderen gängigen Lösungsmitteln löslich. Das Team ging diese Herausforderung an, indem es Chitin-Hydrogel mit biomimetischer Struktur durch die chemische Umwandlung von Chitosan, einem wasserlöslichen deacetylierten Derivat von Chitin, herstellte.

Chitosan löst sich in Gegenwart von Säuren leicht in Wasser. Diese Chitosan-Hydrogele können mit unterschiedlichen Mikrostrukturen ausgestattet werden. Sie sind jedoch weder mechanisch noch chemisch stabil. Versuche, sie durch den Einsatz von Vernetzungsmitteln zu verbessern, haben Bedenken hinsichtlich der biologischen Sicherheit aufgeworfen.

Dem Team gelang es, durch eine chemische Reaktion namens Acetylierung ein chemisch stabiles und bewuchshemmendes Chitin-Hydrogel herzustellen. Durch den Acetylierungsprozess verfügt das vom Team gewonnene Chitin-Hydrogel über eine hervorragende Beständigkeit gegen Quellung, Abbau, extreme Temperatur- und pH-Bedingungen sowie organische Lösungsmittel.

Das Team erfuhr außerdem, dass durch die Verwendung von Eiskristallen als Templat für den Chitosan-Vorläufer Chitin-Hydrogele mit unterschiedlichen biomimetischen Strukturen hergestellt werden konnten. Diese Strukturen können entweder perlmuttartig oder holzartig sein, abhängig von der Gefriermethode, die mit dem Chitosan-Vorläufer verwendet wird.

Das vom Team entwickelte Chitin-Hydrogel verfügt über hervorragende mechanische Eigenschaften und behält gleichzeitig einen hohen Wassergehalt. Es zeigt außerdem eine hervorragende Antifouling-Leistung und widersteht der Anhaftung von Proteinen, Bakterien, Blut und Zellen.

„Neben den vielen Vorteilen, die Chitin auszeichnen, sind die von uns erhaltenen Hydrogelmaterialien mechanisch stark und robust. Darüber hinaus können die Hydrogele problemlos in verschiedene Formen und Strukturen verarbeitet werden. Dies gewährleistet die praktische Anwendung der Chitin-Hydrogele“, sagte Mao .

Mit Blick auf die Zukunft besteht der nächste Schritt des Teams darin, die mechanischen Eigenschaften von Chitin-Hydrogelen weiter zu verbessern und ihre biomedizinischen Anwendungen durch In-vivo-Experimente zu erforschen. „Wir gehen davon aus, dass durch diese Strategie verschiedene Hydrogelmaterialien auf Chitinbasis hergestellt und für verschiedene klinische Anwendungen verwendet werden können, beispielsweise als Knorpelersatz, Knochenersatz, Wundverband und sogar künstliche Organe“, sagte Mao.