Усовершенствованная модель разблокирует гранулированную гидрогелевую механику для биомедицинских применений

Исследователи из Университета Иллинойса Урбана-Шампейн разработали новую основу для понимания и контроля поведения потока гранулярных гидрогелей-класса материала, состоящего из плотно упакованных микроскопических гелевых частиц с перспективными применениями в медицине, 3D биопринтинг и восстановлении тканей.

Новое исследование, опубликовано в Продвинутые материалыруководили химическими и биомолекулярными инженерными профессорами Бренданом А. Харли и Саймоном А. Роджерсом, чьи исследовательские группы специализируются на биоматериалах и реологии соответственно.

Гранулированные гидрогели обладают уникальной способностью имитировать механические свойства живой ткани, которая делает их идеальными кандидатами для инкапсулирования и доставки клеток непосредственно в организм. Интегрируя синтез и характеристику материала с реологическим моделированием, исследователи создали прогнозирующая модель Это отражает важную физику того, как деформируются гранулированные гидрогели, что уменьшает сложную проблему до нескольких контролируемых параметров.

«Чтобы использовать гранулированные гидрогели, вы должны быть в состоянии положить их в тело», – сказал Роджерс. «Это, как правило, включает в себя какой -то процесс инъекции или типа печати, что означает, что мы должны понимать, как эти материалы текут и деформируются – или их реологию. Предыдущие исследователи воспринимали то, что я бы считал традиционным реологическим подходом, и сообщили о мерах, которые, как мы знаем, являются неполными, и мы знаем, что не точно представляют физику, которая происходит».

Здесь команда применила продвинутую реологическую модель, ранее разработанную исследовательской группой Rogers, известной как модель Камани-Донли-Роджерс, которая факторы в концепции «Бриттильности», чтобы описать, где материал находится на спектре между пластичным и хриплым неудачей. Количественно определяя это свойство наряду с поведением напряжения доходности, модель создает полную картину реологии гранулированных гидрогелей и позволяет исследователям адаптировать эти свойства во время процесса синтеза, чтобы соответствовать потребностям конкретных тканей.

«Зная, насколько хорошо работает наша модель, мы могли бы затем рассчитать, как будут вести себя гранулированные гидрогели в соответствии с любым условием потока или типа деформации, например, напечатаны в тело или вводятся в тело», – сказал Роджерс. «Или, что произойдет, когда они, скажем, на плечевом суставе или коленном суставе, или где бы они ни были введены в него».

Для Harley, чья лаборатория специализируется на инженерных имплантируемых биоматериалах, а также биоматериалах, которые можно использовать в качестве моделей тканей за пределами тела, таких как костный мозг, последствия являются далеко идущими.

«Здоровый костный мозг необходим для здоровья на протяжении всей жизни», – объяснил Харли. «Именно здесь мы производим все крови и иммунные клетки, которые нам нужны ежедневно. С возрастом у нас есть изменения в динамике того, как ведет себя костное мозг, и у нас есть изменения в частоте гематопоэтических злокачественных новообразований, таких как множественная миелома. Способность создавать и характеризовать все более сложные костный мозг предлагает совершенно новый способ понять, как эта эволюция в свойствах с течением времени влияет на то, как ведут себя эти важные клетки ».

Харли и Роджерс согласны с тем, что объединение их отдельных областей знаний было ключом к созданию новой структуры и закладыванию основы для применения в реальном мире.

«Мы начинаем видеть фундаментальный сдвиг в биомедицине, где наши сообщества все чаще используют инженерные тканевые модели, а это означает, что мы должны лучше понять, как создавать все более сложные, все более реалистичные тканевые модели», – сказал Харли. “Работа, которую мы выполняем, имеет основополагающее значение для наличия высококачественных моделей тканей, которые вы могли бы использовать, чтобы понять прогрессирование заболевания и старение, и подтвердить новые терапии ».

«Этот уровень понимания позволит нам разрабатывать новые материалы, которые сделают людей более здоровыми, быстрее, и помогут им оставаться здоровее в долгосрочной перспективе», – сказал Роджерс.

Предокторальные стипендиаты Гуннар Б. Томпсон и Джие Ли являются сопоставимыми авторами на бумаге. Роджерс – ученый -профессоц Westwater в области химической и биомолекулярной инженерии (CHBE) в Колледже гуманитарных наук и наук. Харли является профессором Роберта У. Шефера в Chbe и связан с Институтом геномной биологии Генома Карла Р. Воэза и департаментами материаловедения и инженерии и биоинженерии в Инженерном колледже Грейнджера и является руководителем программы в онкологическом центре в Иллинойсе.