איור זה מדגיש כיצד שני הידרוג'לים (מוצגים בכחול) יכולים להיות מחוברים בדרכים שונות על ידי סרטי צ'יטוזן דקים (מוצגים בכתום). הקשרים שנוצרים הם חזקים במיוחד ויכולים לעמוד בפני מתחים גבוהים. קרדיט: פיטר אלן, ריאן אלן וג'יימס סי וויבר.
טכניקה חדשה לחיבור מהיר ויעיל של הידרוג'לים מציעה את הפוטנציאל להניע באופן משמעותי את הפיתוח של חומרים ביולוגיים חדשים, תוך מענה למגוון רחב של דרישות קליניות שאינן מסופקות.
הידרוג'לים הופכים נפוצים יותר ויותר בתחומים ביו-רפואיים שונים בשל יכולת ההסתגלות שלהם. ביו-חומרים אלה, המורכבים מרשתות של מולקולות נפוחות במים, ניתנים להתאמה אישית כדי לשכפל את המאפיינים המכניים והכימיים של איברים ורקמות שונות. זה מאפשר להם ליצור אינטראקציה הן עם המשטחים הפנימיים והן החיצוניים של הגוף מבלי לפגוע אפילו באזורים העדינים ביותר של האנטומיה האנושית.
הידרוג'לים כבר משמשים בפרקטיקה הקלינית לאספקה טיפולית של תרופות למלחמה בפתוגנים; כעדשות תוך עיניות ומגע, ותותבות קרנית ברפואת עיניים; מלט עצם, חבישות פצעים, תחבושות מקרישות דם ופיגומים תלת מימדיים בהנדסת רקמות והתחדשות.
עם זאת, הצמדת פולימרי הידרוג'ל במהירות ובחזקה זה לזה נותרה צורך בלתי פתור, שכן שיטות מסורתיות גורמות לרוב להדבקה חלשה יותר לאחר זמני הידבקות ארוכים מהרצוי, ונשענות על הליכים מורכבים. השגת הידבקות מהירה של פולימרים עשויה לאפשר יישומים חדשים רבים, כולל, למשל, הידרוג'לים שניתן לכוון את קשיחותם כדי להתאים טוב יותר לרקמות ספציפיות, עטיפה לפי דרישה של אלקטרוניקה גמישה לאבחון רפואי, או יצירת עטיפות רקמות דביקות. עבור חלקים שקשה לחבוש בגוף.
כעת, מדענים ממכון ויס להנדסה בהשראה ביולוגית באוניברסיטת הרווארד ובבית הספר להנדסה ולמדעים יישומיים של הרווארד ג'ון א. פולסון (SEAS) יצרו שיטה פשוטה ורב-תכליתית לחיבור מיידי ויעיל בין שכבות העשויות מאותו סוג או מסוגים שונים של הידרוג'לים וחומרים פולימריים אחרים, תוך שימוש בסרט דק של צ'יטוסן: חומר סיבי על בסיס סוכר המופק מהשלדים החיצוניים המעובדים של רכיכות. הם הצליחו ליישם את הגישה החדשה שלהם למספר בעיות רפואיות בלתי פתורות, כולל קירור מגן מקומי של רקמות, איטום של פציעות כלי דם ומניעת "הידבקויות כירורגיות" לא רצויות של משטחי גוף פנימיים שלא אמורים להיצמד זה לזה. הממצאים מתפרסמים ב- הליכים של האקדמיה הלאומית למדע.
"סרטי צ'יטוסן עם היכולות שלהם להרכיב ביעילות, לכוונן ולהגן על הידרוג'לים בגוף ומחוצה לו, פותחים הזדמנויות חדשות רבות ליצור מכשירים לרפואה רגנרטיבית וטיפול כירורגי", אמר מחבר בכיר וחבר סגל הליבה של מכון ויס, דייוויד מוני , דוקטורט. "המהירות, הקלות והיעילות שבהן ניתן ליישם אותם הופכים אותם לכלים ורכיבים מגוונים ביותר עבורם in vivoתהליכי הרכבה בחלונות זמן קצרים לרוב במהלך ניתוחים, וייצור פשוט של מבנים ביו-חומריים מורכבים במתקני ייצור". מוני הוא גם פרופסור משפחת רוברט פ. פנקס לביו-הנדסה ב-SEAS.
הנדסת קשר חדש
במהלך השנים האחרונות, הצוות של מוני במכון Wyss ו-SEAS פיתח "דבקים קשיחים", אוסף של גישות רפואה רגנרטיביות המשתמשות בהידרוג'לים ניתנים למתיחה כדי להקל על ריפוי פצעים והתחדשות רקמות על ידי היצמדות חזקה למשטחי רקמה רטובים והתאמה למכניות של הרקמות. נכסים. "דבקים קשיחים בניסוח מדויק והידרוג'לים לא דביקים נותנים לנו ולחוקרים אחרים הזדמנויות חדשות לשפר את הטיפול בחולים. אבל כדי לקחת את הפונקציונליות שלהם צעד אחד או אפילו מספר צעדים קדימה, רצינו להיות מסוגלים לשלב שניים או יותר הידרוג'לים במכלולים מורכבים יותר, ולעשות זאת מהר, בטוח ובתהליך פשוט", אמר מחבר ראשון וקודם. עמית המחקר של Wyss Benjamin Freedman, Ph.D., שעמד בראש מספר פיתוחים של Tough Adhesive עם מוני. "לשיטות הקיימות לחיבור מיידי של הידרוג'לים או אלסטומרים היו חסרונות בולטים מכיוון שהן הסתמכו על דבקים רעילים, פונקציונליזציה כימית של המשטחים שלהם או הליכים מורכבים אחרים."
באמצעות גישת סינון ביו-חומר, הצוות זיהה סרטי גישור עשויים לחלוטין מצ'יטוזן. Chitosan הוא פולימר ממותק שניתן להכין בקלות מקונכיות הכיטין של רכיכות וכבר מצא את דרכו ליישומים מסחריים רחבי טווח. לדוגמה, הוא משמש כיום לטיפול בזרעים וכחומר הדברה ביולוגי בחקלאות, למניעת קלקול בייצור יין, בציפויים לריפוי צבע עצמי ובטיפול בפצעים רפואיים.
הצוות מצא שסרטי צ'יטוזן השיגו קשר מהיר וחזק של הידרוג'לים באמצעות אינטראקציות כימיות ופיזיקליות השונות מאלה המעורבות בשיטות התקשרות הידרוג'ל מסורתיות. במקום ליצור קשרים כימיים חדשים המבוססים על שיתוף אלקטרונים בין אטומים בודדים (קשרים קוולנטיים), הנגרמים על ידי שינוי זעיר ב-pH, גדילי הסוכר של הצ'יטוזן סופגים במהירות מים השוכנים בין שכבות ההידרוג'ל ומסתבכים את עצמם עם עמדות הפולימר של הידרוג'לים, ויוצרים מספר רב של מים. קשרים באמצעות אינטראקציות אלקטרוסטטיות וקשרי מימן (קשרים לא קוולנטיים). כתוצאה מכך נוצרים כוחות הדבקה בין הידרוג'לים העולים באופן משמעותי על אלו שנוצרו באמצעות גישות הדבקת הידרוג'ל מסורתיות.
יישומים ראשונים
כדי להדגים את רוחב הפוטנציאל של השיטה החדשה שלהם, החוקרים התמקדו באתגרים רפואיים שונים מאוד. הם הראו כי ניתן לעטוף בקלות דבקים קשים ששונו בסרטי צ'יטוזן סביב צורות גליליות כמו אצבע פצועה כתחבושות נצמדות לעצמן כדי לספק טיפול משופר בפצעים. בשל תכולת המים הגבוהה של הידרוג'לים הקשורים בצ'יטוזן, היישום שלהם אפשר גם קירור מקומי של עור האדם הבסיסי, מה שבעתיד עלול להוביל לטיפולי כוויה אלטרנטיביים.
החוקרים גם עטפו הידרוג'לים (ג'לים קשיחים) אשר פני השטח שלהם שונו בסרטי צ'יטוזן דקים בצורה חלקה סביב המעי, הגידים ורקמת העצבים ההיקפית מבלי להיקשר לרקמות עצמן. "גישה זו מציעה את האפשרות לבודד ביעילות רקמות זו מזו במהלך ניתוחים, אשר אחרת עלולות ליצור 'הדבקות פיברוטית' עם השלכות הרסניות לפעמים. המניעה שלהם היא צורך קליני לא מסופק שטכנולוגיות מסחריות לא יכולות לתת מענה הולם עדיין", הסביר פרידמן.
ביישום אחר הם הניחו סרט צ'יטוזן דק על ג'ל קשיח שכבר הונח על אבי העורקים של חזיר פצוע ex vivo כחומר איטום פצעים להגברת החוזק הכולל של התחבושת, אשר נחשפה לכוחות המכניים המחזוריים של הדם הפועם דרך הכלי.
"האפשרויות הרבות שעולות ממחקר זה של קבוצתו של דייב מוני מוסיפות מימד חדש להנדסת מכשירי הידרוג'ל ביו-רפואיים, שיכולים להוביל לפתרונות אלגנטיים לבעיות דחופות שלא טופלו ברפואה רגנרטיבית וכירורגית, שמטופלים רבים יכולים להפיק מהם תועלת", אמר ויס מייסד הבמאי דונלד אינגבר, MD, Ph.D., שהוא גם ה- יהודה פולקמן פרופסור לביולוגיה של כלי דם בבית הספר לרפואה של הרווארד ובבית החולים לילדים בבוסטון, וה Hansjörg Wyss פרופסור להנדסה בהשראה ביולוגית ב-SEAS.
מחברים נוספים במחקר הם המחבר הראשון חואן סינטרון קרוז, מת'ו לי וג'יימס וויבר במכון וויס וב-SEAS; פיבי קוון, היילי ג'פרס ודניאל קנט ב-SEAS; וקייל וו במרכז הרפואי Beth Israel Deaconess בבוסטון. המחקר נתמך על ידי מכון Wyss באוניברסיטת הרווארד, ה המכונים הלאומיים לבריאותהמכון הלאומי להזדקנות (תחת פרס # K99/R00AG065495), ויוזמת הרווארד GSAS Research Scholar.
