تخليق هيدروجيل لاصق قوي ، جيلاتين O-نيتروسوبنزالديهيد
Summary
يوضح البروتوكول المقدم هنا تخليق جيلاتين هيدروجيل لاصق قوي o-nitrosobenzaldehyde (الجيلاتين-NB). يتمتع Gelatin-NB بقدرة سريعة وفعالة على التصاق الأنسجة ، والتي يمكن أن تشكل حاجزا ماديا قويا لحماية أسطح الجروح ، لذلك من المتوقع أن يتم تطبيقه في مجال التكنولوجيا الحيوية لإصلاح الإصابات.
Abstract
أصبحت المواد اللاصقة مواد حيوية شائعة في مجال الهندسة الطبية الحيوية والأنسجة. في عملنا السابق ، قدمنا مادة جديدة – الجيلاتين o-nitrosobenzaldehyde (الجيلاتين-NB) – والتي تستخدم أساسا لتجديد الأنسجة وتم التحقق من صحتها في النماذج الحيوانية لإصابة القرنية ومرض التهاب الأمعاء. هذا هيدروجيل جديد يتكون عن طريق تعديل الجيلاتين البيولوجي مع o-nitrosobenzaldehyde (NB). تم تصنيع الجيلاتين-NB عن طريق تنشيط مجموعة الكربوكسيل من NB-COOH والتفاعل مع الجيلاتين من خلال 1- (3-ثنائي ميثيل أمينوبروبيل) -3-إيثيل كاربوديميد هيدروكلوريد (EDC) و N-hydroxysuccinimide (NHS). تم تنقية المركب الذي تم الحصول عليه لتوليد المنتج النهائي ، والذي يمكن تخزينه بثبات لمدة 18 شهرا على الأقل. NB لديه التصاق قوي ب -NH2 على الأنسجة ، والتي يمكن أن تشكل العديد من روابط C = N ، وبالتالي زيادة التصاق الجيلاتين-NB بواجهة الأنسجة. تتضمن عملية التحضير خطوات لتوليف مجموعة NB-COOH ، وتعديل المجموعة ، وتوليف الجيلاتين-NB ، وتنقية المركب. الهدف هو وصف عملية التوليف المحددة للجيلاتين-NB بالتفصيل وإظهار تطبيق الجيلاتين-NB لإصلاح الضرر. علاوة على ذلك ، يتم تقديم البروتوكول لزيادة تعزيز وتوسيع طبيعة المواد التي ينتجها المجتمع العلمي لسيناريوهات أكثر قابلية للتطبيق.
Introduction
هيدروجيل هو نوع من البوليمر ثلاثي الأبعاد يتكون من تورم الماء. على وجه الخصوص ، يستخدم الهيدروجيل المشتق من مصفوفة خارج الخلية على نطاق واسع في مجال التخليق الحيوي والطب التجديدي بسبب توافقه الحيوي الممتاز وفعاليته العلاجية1. تم الإبلاغ عن الهلاميات المائية لعلاج قرحة المعدة والتهاب الأعصاب واحتشاء عضلة القلب2،3،4 وأمراض أخرى. علاوة على ذلك ، فقد ثبت أن الجيلاتين-NB يمكن أن يعزز نتائج التهاب الأمعاء غير الالتهابي (IBD)5. تشمل الهلاميات المائية التقليدية صمغ جيلان ، جيلاتين ، حمض الهيالورونيك ، بولي إيثيلين جلايكول (PEG) ، طبقات ، كارهة للماء / محبة للماء ، ألجينات / بولي أكريلاميد ، شبكة مزدوجة ، وهلاميات مائية متعددة المذبذبات6 ، وكلها لها توافق نسيجي جيد وخصائص ميكانيكية. ومع ذلك ، فإن هذه الهلاميات المائية التقليدية عرضة للرطوبة والهواء في البيئة. إذا تعرضوا للهواء لفترة طويلة ، فسوف يفقدون الماء ويجفون ؛ إذا تم غمرها في الماء لفترة طويلة ، فسوف تمتص الماء وتتوسع7 ، مما يقلل من مرونتها ووظيفتها الميكانيكية. بالإضافة إلى ذلك ، يعد الحفاظ على التصاق أنسجة الهلاميات المائية التقليدية تحديا كبيرا8.
بناء على ذلك ، قمنا بتصميم وتوليف جيلاتين هيدروجيل نانوي ، وهو هيدروجيل جديد يتكون عن طريق تعديل الجيلاتين البيولوجي باستخدام NB (الشكل 1). NB لديه قدرة التصاق قوية ل -NH2 على الأنسجة ، والتي يمكن أن تشكل عددا كبيرا من الروابط C = N ، وبالتالي زيادة التصاق واجهة الأنسجة المائية. هذا الالتصاق القوي يمكن أن يجعل الهيدروجيل يلتصق بقوة بسطح الأنسجة ، وبالتالي يشكل طبقة جزيئية على مستوى النانو. في الدراسات السابقة للفريق ، تم التأكيد على أن هذا النوع من طلاء الهيدروجيل المعدل قد حسن التصاق الأنسجة9. يمكن أن تلتصق بثبات بأعضاء وأنسجة القرنية والأمعاء وتلعب أدوارا مضادة للالتهابات وعزل الحاجز وتعزيز التجديد. الهدف هو تقديم عملية التوليف المحددة للجيلاتين-NB بالتفصيل هنا ، بحيث يمكن تطبيق الجيلاتين-NB في المزيد من سيناريوهات إصلاح الضرر. علاوة على ذلك ، نشجع الباحثين الآخرين على زيادة تعزيز وتوسيع طبيعة هذه المادة لتناسب المزيد من سيناريوهات التطبيق.
Protocol
Representative Results
Discussion
المواد اللاصقة هي فئة جديدة من المواد. يلتزم المزيد والمزيد من الباحثين بتوليف أنواع مختلفة من المواد اللاصقة ، ويحاولون العثور على تطبيقاتهم في التكنولوجيا الحيوية وهندسة الأنسجة والطب التجديدي وغيرها من المجالات ، مما أدى إلى تطور قوي في السنوات الأخيرة. بالإضافة إلى التركيز على الالت…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
اي.
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).
