Исследователи из Университета штата Иллинойс в Урбане-Шампейне разработали новую структуру для понимания и управления текучестью гранулированных гидрогелей — класса материалов, состоящих из плотно упакованных микроскопических гелевых частиц с многообещающими применениями в медицине, 3D-биопечати и восстановлении тканей.

Новое исследование, опубликованное в Передовые материалы, возглавлялся профессорами химической и биомолекулярной инженерии Бренданом А. Харли и Саймоном А. Роджерсом, чьи исследовательские группы специализируются на биоматериаловедении и реологии соответственно.

Гранулированные гидрогели обладают уникальной способностью имитировать механические свойства живых тканей, что делает их идеальными кандидатами для инкапсуляции и доставки клеток непосредственно в организм. Объединив синтез и характеризацию материалов с реологическим моделированием, исследователи создали прогностическую модель, которая отражает основную физику того, как гранулированные гидрогели деформируются, сводя сложную проблему к нескольким контролируемым параметрам.

«Чтобы использовать гранулированные гидрогели, вы должны иметь возможность поместить их внутрь тела», — сказал Роджерс. «Обычно это включает в себя какой-то процесс литья под давлением или печати, что означает, что мы должны понять, как эти материалы текут и деформируются, или их реологию. Предыдущие исследователи использовали то, что я бы назвал традиционным реологическим подходом, и сообщали об измерениях, которые, как мы знаем, являются неполными и не точно отражают происходящую физику».

Здесь команда применила передовую реологическую модель, ранее разработанную исследовательской группой Роджерса, известную как модель Камани-Донли-Роджерса, которая учитывает концепцию «хрупкости» для описания того, где материал находится в спектре между пластичным и хрупким разрушением. Количественно оценивая это свойство наряду с поведением предела текучести, модель создает всестороннюю картину реологии гранулированных гидрогелей и позволяет исследователям адаптировать эти свойства в процессе синтеза в соответствии с потребностями конкретных тканей.

«Зная, насколько хорошо работает наша модель, мы могли бы затем рассчитать, как гранулированные гидрогели будут вести себя при любых условиях потока или типе деформации, например, при печати в теле или инъекции в тело», — сказал Роджерс. «Или что произойдет, когда они окажутся, скажем, в плечевом или коленном суставе, или в любом другом месте, куда им будут делать инъекции».

Для Харли, чья лаборатория специализируется на разработке имплантируемых биоматериалов, а также биоматериалов, которые могут быть использованы в качестве моделей тканей вне тела, таких как костный мозг, последствия имеют далеко идущие последствия.

«Здоровый костный мозг необходим для здоровья на протяжении всей жизни», — объяснил Харли. «Именно здесь мы производим всю кровь и иммунные клетки, которые нам нужны ежедневно. С возрастом у нас происходят изменения в динамике поведения костного мозга, а также изменения в частоте злокачественных опухолей кроветворения, таких как множественная миелома. Возможность создавать и характеризовать все более сложные гранулярные модели костного мозга предлагает совершенно новый способ понять, как эта эволюция свойств с течением времени влияет на поведение этих важных клеток».

Харли и Роджерс сходятся во мнении, что объединение их отдельных областей знаний стало ключом к созданию новой структуры и закладке основы для ее применения в реальном мире.

«Мы начинаем видеть фундаментальный сдвиг в биомедицине, когда наши сообщества все чаще используют инженерные модели тканей, и это означает, что мы должны лучше понимать, как создавать все более сложные, все более реальныеВ то же время Харли (Harley). «Работа, которую мы делаем, имеет основополагающее значение для получения высококачественных моделей тканей, которые можно использовать для понимания прогрессирования и старения заболевания, а также для валидации новых методов лечения».

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

Преддокторанты Гуннар Б. Томпсон и Джие Ли являются соавторами статьи. Роджерс является профессором Уэстуотер в области химической и биомолекулярной инженерии (ChBE) в Колледже свободных искусств и наук. Харли является профессором Роберта В. Шефера в ChBE и связан с Институтом геномной биологии Карла Р. Вёзе и кафедрами материаловедения, инженерии и биоинженерии в Инженерном колледже Грейнджера, а также является руководителем программы в Онкологическом центре в Иллинойсе.