Wissenschaftler entwickeln eine Methode, um Hydrogele und andere Polymermaterialien mithilfe von Chitosan zu verbinden

Hydrogele sind vielseitige Biomaterialien, die immer mehr biomedizinische Bereiche erobern. Sie bestehen aus wassergequollenen molekularen Netzwerken, die so angepasst werden können, dass sie die mechanischen und chemischen Eigenschaften verschiedener Organe und Gewebe nachahmen. Sie können innerhalb des Körpers und an seinen Außenflächen miteinander interagieren, ohne selbst die empfindlichsten Teile der menschlichen Anatomie zu schädigen.

Hydrogele werden in der klinischen Praxis bereits zur therapeutischen Verabreichung von Medikamenten zur Bekämpfung von Krankheitserregern eingesetzt; als Intraokular- und Kontaktlinsen sowie Hornhautprothesen in der Augenheilkunde; Knochenzement, Wundauflagen, blutgerinnende Verbände und 3D-Gerüste in der Gewebezüchtung und Regeneration.

Die schnelle und feste Verbindung von Hydrogel-Polymeren untereinander ist jedoch nach wie vor ein ungedeckter Bedarf, da herkömmliche Methoden häufig nach längeren Klebezeiten als gewünscht zu einer schwächeren Haftung führen und auf komplexen Verfahren beruhen.

Das Erreichen einer schnellen Adhäsion von Polymeren könnte zahlreiche neue Anwendungen ermöglichen, darunter beispielsweise Hydrogele, deren Steifigkeit fein abgestimmt werden könnte, um sich besser an bestimmte Gewebe anzupassen, die bedarfsgerechte Einkapselung flexibler Elektronik für die medizinische Diagnostik oder die Herstellung selbstklebender Gewebewickel für schwer zu verbindende Körperstellen.

Jetzt haben Wissenschaftler des Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering der Harvard University und der Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) eine einfache und vielseitige Methode entwickelt, um Schichten aus gleichen oder unterschiedlichen Arten sofort und effektiv zu verbinden Hydrogele und andere Polymermaterialien unter Verwendung eines dünnen Films aus Chitosan: einem faserigen, zuckerbasierten Material, das aus den verarbeiteten Außenskeletten von Schalentieren gewonnen wird.

Die Forscher wandten ihren neuen Ansatz erfolgreich auf mehrere ungelöste medizinische Probleme an, darunter die lokale Schutzkühlung von Gewebe, die Versiegelung von Gefäßverletzungen und die Verhinderung unerwünschter „chirurgischer Verwachsungen“ von inneren Körperoberflächen, die nicht aneinander haften sollten. Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Verfahren der National Academy of Science.

„Chitosan-Filme mit ihrer Fähigkeit, Hydrogele im Körper und darüber hinaus effektiv aufzubauen, zu verfeinern und zu schützen, eröffnen zahlreiche neue Möglichkeiten zur Entwicklung von Geräten für die regenerative Medizin und die chirurgische Versorgung“, sagte David Mooney, leitender Autor und Gründungsmitglied der Kernfakultät des Wyss Institute , Ph.D.

„Die Geschwindigkeit, Einfachheit und Effektivität, mit der sie angewendet werden können, machen sie zu äußerst vielseitigen Werkzeugen und Komponenten für In-vivo-Montageprozesse in oft kurzen Zeitfenstern während chirurgischer Eingriffe und für die einfache Herstellung komplexer Biomaterialstrukturen in Produktionsanlagen“, sagte Mooney der auch Robert P. Pinkas Family Professor für Bioingenieurwesen am SEAS ist.

Aufbau einer neuen Bindung

In den letzten Jahren hat Mooneys Team am Wyss Institute und SEAS „Tough Adhesives“ entwickelt, eine Sammlung regenerativer Medizinansätze, die dehnbare Hydrogele verwenden, um die Wundheilung und Geweberegeneration zu erleichtern, indem sie fest an feuchten Gewebeoberflächen haften und sich den mechanischen Eigenschaften des Gewebes anpassen Eigenschaften.

„Präzise formulierte Tough-Klebstoffe und nicht-klebende Hydrogele eröffnen uns und anderen Forschern neue Möglichkeiten, die Patientenversorgung zu verbessern. Um ihre Funktionalitäten jedoch noch einen oder sogar mehrere Schritte weiter zu entwickeln, wollten wir in der Lage sein, zwei oder mehr Hydrogele in komplexeren Baugruppen zu kombinieren.“ und dies schnell, sicher und in einem einfachen Prozess zu tun“, sagte Co-Erstautor und ehemaliger Wyss Research Associate Benjamin Freedman, Ph.D., der zusammen mit Mooney mehrere Tough-Adhäsiv-Entwicklungen leitete.

„Bestehende Methoden zur sofortigen Bindung von Hydrogelen oder Elastomeren hatten eklatante Nachteile, da sie auf giftigen Klebstoffen, der chemischen Funktionalisierung ihrer Oberflächen oder anderen komplexen Verfahren beruhten.“

Durch einen Biomaterial-Screening-Ansatz identifizierte das Team Brückenfilme, die vollständig aus Chitosan bestehen. Chitosan ist ein zuckerhaltiges Polymer, das leicht aus den Chitinschalen von Schalentieren hergestellt werden kann und bereits Eingang in vielfältige kommerzielle Anwendungen gefunden hat. Derzeit wird es beispielsweise zur Behandlung von Saatgut und als Biopestizid in der Landwirtschaft, zur Verhinderung von Verderb bei der Weinherstellung, in selbstheilenden Farbbeschichtungen und in der medizinischen Wundversorgung eingesetzt.

Das Team fand heraus, dass Chitosanfilme durch chemische und physikalische Wechselwirkungen, die sich von denen herkömmlicher Hydrogel-Bindungsmethoden unterscheiden, eine schnelle und starke Bindung von Hydrogelen erreichen.

Anstatt neue chemische Bindungen zu schaffen, die auf der gemeinsamen Nutzung von Elektronen zwischen einzelnen Atomen (kovalente Bindungen) basieren und durch eine geringfügige pH-Verschiebung induziert werden, absorbieren die Zuckerstränge von Chitosan schnell Wasser zwischen den Hydrogelschichten und verschränken sich mit den Polymerstrukturen der Hydrogele, wodurch mehrere entstehen Bindungen über elektrostatische Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen (nichtkovalente Bindungen).

Dies führt zu Adhäsionskräften zwischen Hydrogelen, die deutlich über denen liegen, die durch herkömmliche Hydrogel-Bindungsansätze erzeugt werden.

Erste Anwendungen

Um das breite Potenzial ihrer neuen Methode zu demonstrieren, konzentrierten sich die Forscher auf ganz unterschiedliche medizinische Herausforderungen. Sie zeigten, dass mit Chitosanfilmen modifizierte Tough-Klebstoffe nun problemlos als selbstklebende Verbände um zylindrische Formen wie einen verletzten Finger gewickelt werden können, um eine verbesserte Wundversorgung zu ermöglichen. Aufgrund des hohen Wassergehalts von Chitosan-gebundenen Hydrogelen ermöglichte ihre Anwendung auch die lokale Kühlung der darunter liegenden menschlichen Haut, was in Zukunft zu alternativen Behandlungen von Verbrennungen führen könnte.

Die Forscher wickelten auch Hydrogele (zähe Gele), deren Oberflächen mit dünnen Chitosanfilmen modifiziert waren, nahtlos um Darm, Sehnen und peripheres Nervengewebe, ohne sich mit dem Gewebe selbst zu verbinden.

„Dieser Ansatz bietet die Möglichkeit, Gewebe während Operationen effektiv voneinander zu isolieren, da sonst ‚fibrotische Adhäsionen‘ mit manchmal verheerenden Folgen entstehen können. Ihre Vorbeugung ist ein ungedeckter klinischer Bedarf, den kommerzielle Technologien noch nicht angemessen erfüllen können“, erklärte Freedman.

In einer anderen Anwendung trugen sie einen dünnen Chitosanfilm auf ein zähes Gel auf, das bereits ex vivo als Wundversiegelung auf eine verletzte Schweineaorta aufgetragen worden war, um die Gesamtfestigkeit des Verbandes zu erhöhen, der den zyklischen mechanischen Kräften des durchströmenden Blutes ausgesetzt war Das Schiff.

„Die zahlreichen Möglichkeiten, die sich aus dieser Studie der Gruppe von Dave Mooney ergeben, verleihen der Entwicklung biomedizinischer Hydrogel-Geräte eine neue Dimension, die zu eleganten Lösungen für dringende ungelöste Probleme in der regenerativen und chirurgischen Medizin führen könnte, von denen viele Patienten profitieren könnten“, sagte Wyss Founding Direktor Donald Ingber, MD, Ph.D., der außerdem Judah Folkman-Professor für Gefäßbiologie an der Harvard Medical School und dem Boston Children’s Hospital sowie Hansjörg Wyss-Professor für Bioinspired Engineering am SEAS ist.

Weitere Autoren der Studie sind die Co-Erstautoren Juan Cintron Cruz, Mathew Lee und James Weaver vom Wyss Institute und SEAS; Phoebe Kwon, Haley Jeffers und Daniel Kent bei SEAS; und Kyle Wu am Beth Israel Deaconess Medical Center in Boston.