Síntese de Hidrogel Adesivo Forte, Gelatina O-Nitrosobenzaldeído
Summary
O protocolo aqui apresentado mostra a síntese de um forte hidrogel adesivo gelatina o-nitrosobenzaldeído (gelatina-NB). A gelatina-RN tem uma capacidade de adesão tecidual rápida e eficiente, que pode formar uma forte barreira física para proteger as superfícies das feridas, por isso espera-se que seja aplicada no campo da biotecnologia de reparação de lesões.
Abstract
Os materiais adesivos tornaram-se biomateriais populares no campo da engenharia biomédica e de tecidos. Em nosso trabalho anterior, apresentamos um novo material – gelatina o-nitrosobenzaldeído (gelatina-NB) – que é utilizado principalmente para regeneração tecidual e foi validado em modelos animais de lesão corneana e doença inflamatória intestinal. Este é um novo hidrogel formado pela modificação da gelatina biológica com o-nitrosobenzaldeído (NB). A gelatina-RN foi sintetizada ativando-se o grupo carboxila do NB-COOH e reagindo com gelatina através do cloridrato de 1-(3-dimetilaminopropil)-3-etilcarbodiimida (EDC) e N-hidroxisuccinimida (NHS). O composto obtido foi purificado para gerar o produto final, que pode ser armazenado de forma estável por pelo menos 18 meses. O RN tem uma forte adesão ao -NH2 no tecido, o que pode formar muitas ligações C = N, aumentando assim a adesão da gelatina-RN à interface tecidual. O processo de preparação compreende etapas para a síntese do grupo NB-COOH, modificação do grupo, síntese de gelatina-NB e purificação do composto. O objetivo é descrever detalhadamente o processo específico de síntese de gelatina-RN e demonstrar a aplicação de gelatina-NB na reparação de danos. Além disso, o protocolo é apresentado para fortalecer e expandir ainda mais a natureza do material produzido pela comunidade científica para cenários mais aplicáveis.
Introduction
O hidrogel é um tipo de polímero tridimensional formado pelo inchaço da água. Em particular, o hidrogel derivado de uma matriz extracelular é amplamente utilizado no campo da biossíntese e da medicina regenerativa devido à sua excelente biocompatibilidade e eficácia terapêutica1. Hidrogéis têm sido relatados para o tratamento de úlceras gástricas, neurite, infarto do miocárdio 2,3,4 e outras doenças. Além disso, tem sido comprovado que a gelatina-RN pode promover o desfecho da inflamação da doença inflamatória intestinal (DII)5. Os hidrogéis tradicionais incluem goma gelana, gelatina, ácido hialurônico, polietilenoglicol (PEG), em camadas, hidrofóbicos/hidrofílicos, alginato/poliacrilamida, rede dupla e hidrogéis polianfotéricos6, todos com boa histocompatibilidade e propriedades mecânicas. No entanto, esses hidrogéis tradicionais são vulneráveis à umidade e ao ar no ambiente. Se eles são expostos ao ar por um longo tempo, eles vão perder água e secar; se estiverem imersos na água por um longo tempo, absorverão água e se expandirão7, reduzindo assim sua flexibilidade e função mecânica. Além disso, manter a adesão tecidual dos hidrogéis convencionais é um grande desafio8.
Com base nisso, projetamos e sintetizamos um hidrogel gelatina-NB em nanoescala, que é um novo hidrogel formado pela modificação da gelatina biológica com NB (Figura 1). O RN tem uma forte capacidade de adesão a -NH2 no tecido, o que pode formar um grande número de ligações C = N, aumentando assim a adesividade da interface hidrogel-tecido. Esta forte adesão pode fazer com que o hidrogel adera firmemente à superfície do tecido, formando assim um revestimento molecular de nível nano. Em estudos anteriores da equipe, foi confirmado que esse tipo de revestimento de hidrogel modificado melhorou a adesão tecidual9; pode aderir de forma estável aos órgãos e tecidos da córnea e intestinal e desempenhar papéis anti-inflamatórios, isolamento de barreira e promoção da regeneração. O objetivo é apresentar o processo específico de síntese de gelatina-RN em detalhes aqui, para que a gelatina-NB possa ser aplicada em mais cenários de reparação de danos. Além disso, incentivamos outros pesquisadores a fortalecer e expandir ainda mais a natureza desse material para atender a mais cenários de aplicação.
Protocol
Representative Results
Discussion
Os materiais adesivos são uma nova classe de materiais. Mais e mais pesquisadores estão comprometidos com a síntese de vários tipos de materiais adesivos e estão tentando encontrar suas aplicações em biotecnologia, engenharia de tecidos, medicina regenerativa e outros campos, o que levou a um desenvolvimento vigoroso nos últimos anos. Além de se concentrar na forte adesão de materiais adesivos, os pesquisadores também estão prestando mais atenção a outras propriedades, como injetabilidade, autocicatrizaçã…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nenhum.
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).
