Biyomedikal Uygulamalar için Geliştirilen Yeni Foto Duyarlı Hidrojeller

Fotoğraf: Foto-desen zamanla havaya maruz kaldığında hidrojel üzerinden kaybolur. (Barnes laboratuvarının izniyle)

3D baskılı, organ transplantasyonu (organaktarımı) bilim kurgu gibi gelebilir, ancak polimer kimyasındaki gelişmeler sayesinde gerçek olabilirler. Uyaranlara duyarlı hidrojeller, bazı harici tetikleyiciler uygulandığında mekanik özelliklerini değiştiren geniş bir yumuşak malzeme sınıfını temsil eder. Kimya yardımcı doçent olan Jonathan Barnes’ın laboratuvarındaki araştırmacılar geçen yıl, mavi ışığa maruz kaldığında renk değiştiren ve kasılıp küçülen bir polimerden yeni bir tür yapay moleküler kas yarattılar. Benzer malzemeler, özellikle tıpta geniş bir uygulama yelpazesi vaat ediyor.

Barnes, hidrojeller üzerinde çalışmaya başladı çünkü harekete geçirildiğinde şekil, boyut ve mekanik özellikleri değiştirebilecek bir malzeme geliştirmek istedi-tıpkı kaslarımızın genişlediğinde ve daraldığında olduğu gibi. “Birçok insan, umduğumuz daralma miktarını asla alamayacağımızı söyledi “diye hatırlattı Barnes,” ama aslında hayal ettiğimizden daha iyi çalıştı.”

ACS Applied Materials & Interfaces dergisinde “Tersine çevrilebilir hidrojel fotopatlaması: Jel mekanik özellikleri üzerinde boyutsal ve zamansal kontrol” isimli makale 17 Haziran’da yayınlandı, önceki çalışmanın başarısı üzerine Barnes’ın laboratuvarı yeni duyarlı bir polimer sundu. Ekibin yeni çalışması, ağır yükleri kaldırabilecek yumuşak, biyouyumlu materyaller geliştirmeye odaklandı; özellikle protez veya nakledilebilir organlar gibi tıbbi kullanımlar için uygun olabilecek malzemeler.

Gazetenin baş yazarı ve Barnes’ın laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olan Faheem Amir, bu tür bir çalışmanın teknolojideki mevcut bir boşluğu ele aldığını söylüyor. “Canlı sistemlerdeki hücreler 3 boyutlu bir ortama maruz kalırken; hücreler üzerinde yapılan çalışmaların çoğu 2 boyutlu malzemeler üzerinde yapılıyor” dedi. Güçlü, ancak yumuşak ve elastik olan hidrojeller, Amir gibi bilim adamlarının hücreleri 3 boyutlu bir sisteme sokmaları ve hücrelerin farklı koşullar altında nasıl davrandıklarını görmeleri için bir yol sağlayabilir.

Ekip, biyouyumlu bir polimer kullanarak yeni hidrojeller oluşturmak için polimer reaksiyonlarının arkasındaki kimyayı yeniden tasarladı. Şu anda kontakt lenslerde kullanılan temel malzeme daha fazla elastikiyet sağlar ve 3D hücre ağlarını daha iyi destekleyebilir.

İlk başarılarından bu yana, ekip reaksiyonun hızını ve aktivasyon yöntemini geliştirmek için çalıştı. Daha önceki hidrojeller, kimyasal indirgeyici bir çözeltiye daldırılmayı gerektiriyordu, ancak ekibin yeni materyali, hidrojel ağına bir fotokatalizin eklenmesiyle görünür ışığa tepki veriyor. Bu sıcak kimya alanı foto-redoks katalizi olarak bilinir ve bu, Barnes’ın laboratuvarında hidrojellerin kullanılabilirliğini önemli ölçüde genişletti.

“Işığı emen ve malzemeyi harekete geçiren polimerimize bir elektron aktarmak için fotokatalisti kullanıyoruz. Işığı kapattığımızda ve malzeme ortam havasında oksijene maruz kaldığında, bu süreç tersine çevrilir, ” dedi Barnes. “Bir tür sünger gibi. Suyun tamamını dışarı ittiğimizde küçülür, ama suya geri bıraktığınızda, tekrar şişer. Kaslar gibi doğal ve mekanik sistemdekiyle aynı türde bir süreçtir.”

Ekip, sürecin görünür ışık kullanarak çalışacağını öğrendikten sonra, ışığı parlatarak ve jeldeki sadece çok hassas yerleri aktive ederek uygulamalarını iyileştirmek istediler. Bu çalışmanın odak noktası budur: yeni hidrojel sadece önceki yinelemelerde olduğu gibi harekete geçmekle kalmayıp aynı zamanda bunu eksiksiz olarak yapabilir mi?

Amir “bu süreç, yumuşak malzemenin sertliği, gerilme mukavemeti ve kırılmadan önce yüzde olarak uzamasında önemli bir artışa neden oldu; bunların hepsi oksidasyon ve suda şişme yoluyla kolayca tersine çevrilebilirdi” dedi. Bir Amerikan bayrağı deseniyle ekibin gösterdiği hidrojellerdeki aktivasyonların nerede gerçekleştiğine dair kesin bir çözünürlük ve kontrol sağladı.

Barnes’ın laboratuvarındaki araştırmacılar hidrojelin aktivasyonu üzerinde boyutsal kontrole sahip olduklarından, Washington Üniversitesi Tıp Fakültesi (WUSM) ile işbirliği içinde biyomedikal uygulamalar için optimize etmeye başlayabilirler. Barnes, “3 boyutlu olarak basabilecek kadar organların temel yapısını biliyoruz, ancak materyallerden yoksunuz.” dedi.

Barnes’ın laboratuvarındaki araştırmacılar, hidrojellerinin 3D bir matriste asılı hücrelerle uygulamaları destekleyecek kadar dayanıklı olduğunu göstermeye odaklanacaklar. Belirli alanları 3 boyutta aktive edebilmek, 3 boyutlu bir hücre kültüründe dokuyu başarılı bir şekilde büyütmek için atılan önemli bir adımdır. Malzemeye yapılan ilave iyileştirmeler, insan dokusu yoluyla invazif olmayan aktivasyona izin verecek olan kızılötesi gibi diğer dalga boylarında ışıkla aktive edilmesini içerecektir. Asıl hedef, enjekte edilebilir, sadece üzerinde ışık parlatarak cilt yoluyla seçici olarak aktive edilebilen, hastanın kendi dokusundan yapılmış kişiselleştirilmiş bir “biyo-mürekkep” -3D yazdırılabilir özel hidrojel-  yaratmaktır. Bu, vücut içinde son derece özel uygulamalar için izin verecek.

Amir, “İlerlemek için, WUSM’den Dr. Moe Mahjoub ile bir işbirliği geliştirdik, burada foto-indüklenmiş hareketlerin hücresel davranış üzerindeki etkilerini inceliyoruz.” Dedi. Ortak çalışanlar, harekete geçirdikleri hidrojellerin, insan dokusunu taklit edebileceklerini ve sayısız uygulamada kullanmak üzere genel bir platform oluşturabileceklerini umuyorlar. Ekibin anahtar teknolojisinin çok yönlülüğü, polimerize edilebilir çapraz bağlayıcıları, şu hedefi desteklemektedir: Araştırmacılar, dikkatli bir şekilde ayarlanmış özelliklere ve mekanik özelliklere sahip özel polimerler oluşturmak için çapraz bağlayıcılarını herhangi bir monomer ile birleştirebilirler.

“Hiç kimsenin bu materyaller ile biyomedikal alaka düzeyini gösterdiğimiz noktaya kadar çalışmayacağını düşündük. Bu, tüm ülkede ve hatta dünya çapında işbirlikleri kurmak için temel kimyanın ve hatta WashU’nun ötesine geçiyor.” dedi. Araştırma geçen Nisan ayında Amerikan Kimya Derneği (ACS) toplantısında sunuldu. ACS Orlando 2019’dan Barnes’ın “Kas benzeri malzeme ışığa tepki olarak genişler ve daralır” gösterimi;

Kaynak: phys.org