Syntese af stærk klæbemiddelhydrogel, gelatine O-nitrosobenzaldehyd
Summary
Protokollen, der præsenteres her, viser syntesen af en stærk klæbende hydrogelgelatine o-nitrosobenzaldehyd (gelatine-NB). Gelatine-NB har hurtig og effektiv vævsadhæsionsevne, som kan danne en stærk fysisk barriere for at beskytte såroverflader, så det forventes at blive anvendt inden for skadereparationsbioteknologi.
Abstract
Selvklæbende materialer er blevet populære biomaterialer inden for biomedicinsk og vævsteknik. I vores tidligere arbejde præsenterede vi et nyt materiale – gelatine o-nitrosobenzaldehyd (gelatine-NB) – som hovedsageligt anvendes til vævsregenerering og er blevet valideret i dyremodeller af hornhindeskade og inflammatorisk tarmsygdom. Dette er en ny hydrogel dannet ved at modificere biologisk gelatine med o-nitrosobenzaldehyd (NB). Gelatine-NB blev syntetiseret ved at aktivere carboxylgruppen af NB-COOH og reagere med gelatine gennem 1-(3-dimethylaminopropyl)-3-ethylcarbodiimidhydrochlorid (EDC) og N-hydroxysuccinimid (NHS). Den opnåede forbindelse blev renset for at generere slutproduktet, som stabilt kan opbevares i mindst 18 måneder. NB har en stærk vedhæftning til –NH2 på vævet, som kan danne mange C = N-bindinger, hvilket øger vedhæftningen af gelatine-NB til vævsgrænsefladen. Fremstillingsprocessen omfatter trin til syntese af NB-COOH-gruppen, modifikation af gruppen, syntese af gelatine-NB og oprensning af forbindelsen. Målet er at beskrive den specifikke synteseproces af gelatine-NB i detaljer og demonstrere anvendelsen af gelatine-NB til reparation af skader. Desuden præsenteres protokollen for yderligere at styrke og udvide arten af det materiale, der produceres af det videnskabelige samfund til mere anvendelige scenarier.
Introduction
Hydrogel er en type tredimensionel polymer dannet af vand hævelse. Især hydrogel afledt af en ekstracellulær matrix anvendes i vid udstrækning inden for biosyntese og regenerativ medicin på grund af dets fremragende biokompatibilitet og terapeutiske effektivitet1. Hydrogeler er blevet rapporteret til behandling af mavesår, neuritis, myokardieinfarkt 2,3,4 og andre sygdomme. Endvidere er det blevet bevist, at gelatine-NB kan fremme resultatet af inflammation ininflammatory tarmsygdom (IBD)5. Traditionelle hydrogeler omfatter gellangummi, gelatine, hyaluronsyre, polyethylenglycol (PEG), lagdelt, hydrofob / hydrofil, alginat / polyacrylamid, dobbelt netværk og polyamfotere hydrogeler6, som alle har god histokompatibilitet og mekaniske egenskaber. Disse traditionelle hydrogeler er imidlertid sårbare over for fugt og luft i miljøet. Hvis de udsættes for luft i lang tid, mister de vand og tørrer; Hvis de er nedsænket i vandet i lang tid, vil de absorbere vand og udvide7, hvilket reducerer deres fleksibilitet og mekaniske funktion. Derudover er opretholdelse af vævsadhæsionen af konventionelle hydrogeler en stor udfordring8.
Baseret på dette designede og syntetiserede vi en nanoskala hydrogelgelatine-NB, som er en ny hydrogel dannet ved at modificere biologisk gelatine med NB (figur 1). NB har en stærk vedhæftningsevne til –NH2 på vævet, som kan danne et stort antal C = N-bindinger, hvilket øger klæbeevnen i hydrogelvævsgrænsefladen. Denne stærke vedhæftning kan få hydrogelen til at klæbe fast til vævsoverfladen og dermed danne en molekylær belægning på nanoniveau. I holdets tidligere undersøgelser er det blevet bekræftet, at denne form for modificeret hydrogelbelægning har forbedret vævsadhæsion9; Det kan stabilt klæbe til hornhinde- og tarmorganer og væv og spille anti-inflammation, barriereisolering og regenereringsfremmende roller. Målet er at introducere den specifikke synteseproces af gelatine-NB i detaljer her, så gelatine-NB kan anvendes i flere scenarier for skadereparation. Desuden opfordrer vi andre forskere til yderligere at styrke og udvide arten af dette materiale, så det passer til flere anvendelsesscenarier.
Protocol
Representative Results
Discussion
Selvklæbende materialer er en ny klasse af materiale. Flere og flere forskere er forpligtet til syntese af forskellige typer klæbematerialer og forsøger at finde deres anvendelser inden for bioteknologi, vævsteknik, regenerativ medicin og andre områder, hvilket har ført til kraftig udvikling i de senere år. Ud over at fokusere på den stærke vedhæftning af klæbende materialer er forskere også mere opmærksomme på andre egenskaber, såsom injicerbarhed, selvhelbredende, hæmostatisk, antibakteriel, kontrollere…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ingen.
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).
