סינתזה של הידרוג'ל דבק חזק, ג'לטין O-Nitrosobenzaldehyde
Summary
הפרוטוקול המוצג כאן מראה סינתזה של ג’לטין הידרוג’ל דביק חזק o-nitrosobenzaldehyde (ג’לטין-NB). לג’לטין-NB יכולת היצמדות מהירה ויעילה של רקמות, שיכולה להוות מחסום פיזי חזק להגנה על משטחי פצעים, ולכן הוא צפוי להיות מיושם בתחום הביוטכנולוגיה לתיקון פציעות.
Abstract
חומרי הדבקה הפכו לביו-חומרים פופולריים בתחום הביו-רפואי והנדסת רקמות. בעבודתנו הקודמת הצגנו חומר חדש – ג’לטין O-nitrosobenzaldehyde (ג’לטין-NB) – המשמש בעיקר להתחדשות רקמות ואומת במודלים של בעלי חיים של פגיעה בקרנית ומחלות מעי דלקתיות. זהו הידרוג’ל חדשני שנוצר על ידי שינוי ג’לטין ביולוגי עם o-nitrosobenzaldehyde (NB). ג’לטין-NB סונתז על ידי הפעלת קבוצת הקרבוקסיל של NB-COOH ותגובה עם ג’לטין באמצעות 1-(3-dimethylaminopropyl)-3-ethylcarbodiimide hydrochloride (EDC) ו-N-hydroxysuccinimide (NHS). התרכובת המתקבלת טוהרה כדי ליצור את המוצר הסופי, אשר ניתן לאחסן ביציבות במשך 18 חודשים לפחות. ל-NB יש היצמדות חזקה ל-NH2 על הרקמה, מה שיכול ליצור קשרים רבים של C = N, ובכך להגדיל את ההיצמדות של ג’לטין-NB לממשק הרקמה. תהליך ההכנה כולל שלבים לסינתזה של קבוצת NB-COOH, שינוי הקבוצה, סינתזה של ג’לטין-NB וטיהור התרכובת. המטרה היא לתאר בפירוט את תהליך הסינתזה הספציפי של ג’לטין-NB ולהדגים את היישום של ג’לטין-NB לתיקון נזקים. יתר על כן, הפרוטוקול מוצג כדי לחזק ולהרחיב עוד יותר את אופי החומר המיוצר על ידי הקהילה המדעית לתרחישים ישימים יותר.
Introduction
הידרוג’ל הוא סוג של פולימר תלת מימדי שנוצר על ידי נפיחות מים. בפרט, הידרוג’ל הנגזר מטריצה חוץ-תאית נמצא בשימוש נרחב בתחום הביוסינתזה והרפואה הרגנרטיבית בגלל התאימות הביולוגית המצוינת שלוויעילותו הטיפולית 1. הידרוג’לים דווחו לטיפול בכיבי קיבה, דלקת עצבים, אוטם שריר הלב 2,3,4 ומחלות אחרות. יתר על כן, הוכח כי ג’לטין-NB יכול לקדם את התוצאה של דלקת מחלת מעי דלקתית (IBD)5. הידרוג’לים מסורתיים כוללים גאם גלן, ג’לטין, חומצה היאלורונית, פוליאתילן גליקול (PEG), שכבות, הידרופוביות/הידרופיליות, אלגינט/פוליאקרילאמיד, רשת כפולה והידרוג’לים פוליאמפוטריים6, שלכולם יש היסטותאימות טובה ותכונות מכניות. עם זאת, הידרוג’לים מסורתיים אלה פגיעים ללחות ולאוויר בסביבה. אם הם נחשפים לאוויר במשך זמן רב, הם יאבדו מים ויתייבשו; אם הם שקועים במים במשך זמן רב, הם יספגו מים ויתרחבו7, ובכך יפחיתו את גמישותם ואת תפקודם המכני. בנוסף, שמירה על הידבקות רקמות של הידרוג’לים קונבנציונליים היא אתגר גדול8.
בהתבסס על זה, תכננו וסינתזנו ג’לטין-NB הידרוג’ל ננומטרי, שהוא הידרוג’ל חדשני שנוצר על-ידי שינוי ג’לטין ביולוגי עם NB (איור 1). NB יש יכולת הדבקה חזקה ל –NH 2 על הרקמה, אשר יכול ליצור מספר רב של קשרים C = N, ובכך להגדיל את ההדבקה של ממשק רקמת הידרוג’ל. הדבקה חזקה זו יכולה לגרום להידרוג’ל להיצמד היטב לפני הרקמה, ובכך ליצור ציפוי מולקולרי ברמה ננומטרית. במחקרים קודמים של הצוות, אושר כי סוג זה של ציפוי הידרוג’ל שונה שיפר את הידבקות רקמות9; הוא יכול להיצמד ביציבות לאיברי ורקמות הקרנית והמעיים ולמלא תפקידים נגד דלקת, בידוד מחסום וקידום התחדשות. המטרה היא להציג את תהליך הסינתזה הספציפי של ג’לטין-NB בפירוט כאן, כך שניתן יהיה ליישם את הג’לטין-NB בתרחישים נוספים של תיקון נזקים. יתר על כן, אנו מעודדים חוקרים אחרים לחזק ולהרחיב עוד יותר את אופי החומר הזה כדי להתאים לתרחישי יישום נוספים.
Protocol
Representative Results
Discussion
חומרי דבק הם סוג חדש של חומר. יותר ויותר חוקרים מחויבים לסינתזה של חומרי דבק מסוגים שונים, ומנסים למצוא את יישומם בביוטכנולוגיה, הנדסת רקמות, רפואה רגנרטיבית ותחומים נוספים, מה שהוביל לפיתוח נמרץ בשנים האחרונות. בנוסף להתמקדות בהדבקה חזקה של חומרי דבק, החוקרים גם מקדישים תשומת לב רבה יותר ?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ללא.
Materials
| 1-(3Dimethylaminopropyl)-3-ethylcarbodimide hydrochloride (EDC) | Aladdin | L287553 | |
| 4-Hydroxy-3-(methoxy-D3) benzaldehyde | Shanghai Acmec Biochemical Co., Ltd | H946072 | |
| DCM | Aladdin | D154840 | |
| Dichloromethane | Sigma-Aldrich | 270997 | |
| Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sigma-Aldrich | 20-139 | |
| dimethylformamide (DMF) | Sigma-Aldrich | PHR1553 | |
| gelatin | Sigma-Aldrich | 1288485 | |
| magnesium sulfate | Sigma-Aldrich | M7506 | |
| MeOH | Sigma-Aldrich | 1424109 | |
| methyl 4-(4-formyl-2-methoxyphenoxy methoxyphenyl) butanoic acid methyl ester | chemsrc | 141333-27-9 | |
| methyl 4-bromobutyrate | Aladdin | M158832 | |
| NaBH4 | Sigma-Aldrich | 215511 | |
| N-hydroxysuccinimide (NHS) | Aladdin | D342712 | |
| nitric acid | Sigma-Aldrich | 225711 | |
| potassium carbonate | Sigma-Aldrich | 209619 | |
| SEM (Nova Nano 450) | Thermo FEI | 17024560 | |
| THF/EtOH | Aladdin | D380010 | |
| trifluoroacetic acid (TFA) | Sigma-Aldrich | 8.0826 |
References
- Tam, R. Y., Smith, L. J., Shoichet, M. S. Engineering cellular microenvironments with photo- and enzymatically responsive hydrogels: toward biomimetic 3D cell culture models. Accounts of Chemical Research. 50 (4), 703-713 (2017).
- Xu, X., et al. Bioadhesive hydrogels demonstrating pH-independent and ultrafast gelation promote gastric ulcer healing in pigs. Science Translational Medicine. 12 (558), (2020).
- Zheng, J., et al. Directed self-assembly of herbal small molecules into sustained release hydrogels for treating neural inflammation. Nature Communications. 10 (1), 1604 (2019).
- Seif-Naraghi, S. B., et al. Safety and efficacy of an injectable extracellular matrix hydrogel for treating myocardial infarction. Science Translational Medicine. 5 (173), (2013).
- Mao, Q., et al. GelNB molecular coating as a biophysical barrier to isolate intestinal irritating metabolites and regulate intestinal microbial homeostasis in the treatment of inflammatory bowel disease. Bioactive Materials. 19, 251-267 (2022).
- Nan, J., et al. A highly elastic and fatigue-resistant natural protein-reinforced hydrogel electrolyte for reversible-compressible quasi-solid-state supercapacitors. Advanced Science. 7 (14), 2000587 (2020).
- Matsumoto, K., Sakikawa, N., Miyata, T. Thermo-responsive gels that absorb moisture and ooze water. Nature Communications. 9 (1), 2315 (2018).
- Liu, R., et al. resilient, adhesive, and anti-freezing hydrogels cross-linked with a macromolecular cross-linker for wearable strain sensors. ACS Applied Materials & Interfaces. 13 (35), 42052-42062 (2021).
- Hong, Y., et al. A strongly adhesive hemostatic hydrogel for the repair of arterial and heart bleeds. Nature Communications. 10 (1), 2060 (2019).
- Yang, Y., et al. Tissue-integratable and biocompatible photogelation by the imine crosslinking reaction. Advanced Materials. 28 (14), 2724-2730 (2016).
- Ofner, C. M., Bubnis, W. A. Chemical and swelling evaluations of amino group crosslinking in gelatin and modified gelatin matrices. Pharmaceutical Research. 13 (12), 1821-1827 (1996).
- Zhang, Y., et al. A long-term retaining molecular coating for corneal regeneration. Bioactive Materials. 6 (12), 4447-4454 (2021).
- Liang, Y., Li, Z., Huang, Y., Yu, R., Guo, B. Dual-dynamic-bond cross-linked antibacterial adhesive hydrogel sealants with on-demand removability for post-wound-closure and infected wound healing. ACS Nano. 15 (4), 7078-7093 (2021).
