Synthese van sterke kleefhydrogel, gelatine O-nitrosobenzaldehyde
Summary
Het hier gepresenteerde protocol toont de synthese van een sterke klevende hydrogelgelatine o-nitrosobenzaldehyde (gelatine-NB). Gelatine-NB heeft een snel en efficiënt weefselhechtingsvermogen, dat een sterke fysieke barrière kan vormen om wondoppervlakken te beschermen, dus het zal naar verwachting worden toegepast op het gebied van biotechnologie voor letselherstel.
Abstract
Zelfklevende materialen zijn populaire biomaterialen geworden op het gebied van biomedische en tissue engineering. In ons vorige werk presenteerden we een nieuw materiaal – gelatine o-nitrosobenzaldehyde (gelatine-NB) – dat voornamelijk wordt gebruikt voor weefselregeneratie en is gevalideerd in diermodellen van hoornvliesletsel en inflammatoire darmaandoeningen. Dit is een nieuwe hydrogel gevormd door biologische gelatine te modificeren met o-nitrosobenzaldehyde (NB). Gelatine-NB werd gesynthetiseerd door de carboxylgroep van NB-COOH te activeren en te reageren met gelatine via 1-(3-dimethylaminopropyl)-3-ethylcarbodiimidehydrochloride (EDC) en N-hydroxysuccinimide (NHS). De verkregen verbinding werd gezuiverd om het eindproduct te genereren, dat stabiel kan worden bewaard gedurende ten minste 18 maanden. NB heeft een sterke hechting aan -NH2 op het weefsel, dat veel C = N-bindingen kan vormen, waardoor de hechting van gelatine-NB aan het weefselgrensvlak toeneemt. Het bereidingsproces omvat stappen voor de synthese van de NB-COOH-groep, modificatie van de groep, synthese van gelatine-NB en zuivering van de verbinding. Het doel is om het specifieke syntheseproces van gelatine-NB in detail te beschrijven en de toepassing van gelatine-NB voor schadeherstel aan te tonen. Bovendien wordt het protocol gepresenteerd om de aard van het materiaal dat door de wetenschappelijke gemeenschap wordt geproduceerd verder te versterken en uit te breiden voor meer toepasbare scenario’s.
Introduction
Hydrogel is een soort driedimensionaal polymeer gevormd door waterzwelling. In het bijzonder wordt hydrogel afgeleid van een extracellulaire matrix veel gebruikt op het gebied van biosynthese en regeneratieve geneeskunde vanwege de uitstekende biocompatibiliteit en therapeutische effectiviteit1. Hydrogels zijn gemeld voor de behandeling van maagzweren, neuritis, myocardinfarct 2,3,4 en andere ziekten. Verder is bewezen dat gelatine-NB de uitkomst van ontstekingsinflammatoire darmziekte (IBD) kan bevorderen5. Traditionele hydrogels omvatten gellangom, gelatine, hyaluronzuur, polyethyleenglycol (PEG), gelaagd, hydrofoob / hydrofiel, alginaat / polyacrylamide, dubbel netwerk en polyamfotere hydrogels6, die allemaal goede histocompatibiliteit en mechanische eigenschappen hebben. Deze traditionele hydrogels zijn echter kwetsbaar voor vocht en lucht in de omgeving. Als ze lange tijd aan lucht worden blootgesteld, verliezen ze water en drogen ze uit; Als ze lange tijd in het water worden ondergedompeld, zullen ze water absorberen en uitzetten7, waardoor hun flexibiliteit en mechanische functie worden verminderd. Daarnaast is het handhaven van de weefselhechting van conventionele hydrogels een grote uitdaging8.
Op basis hiervan hebben we een hydrogel-gelatine-NB op nanoschaal ontworpen en gesynthetiseerd, een nieuwe hydrogel die wordt gevormd door biologische gelatine te modificeren met NB (figuur 1). NB heeft een sterk hechtingsvermogen tot -NH2 op het weefsel, dat een groot aantal C = N-bindingen kan vormen, waardoor de kleefkracht van de hydrogel-weefselinterface toeneemt. Deze sterke hechting kan ervoor zorgen dat de hydrogel stevig hecht aan het weefseloppervlak, waardoor een moleculaire coating op nanoniveau wordt gevormd. In eerdere studies van het team is bevestigd dat dit soort gemodificeerde hydrogelcoating de weefselhechting heeft verbeterd9; Het kan zich stabiel hechten aan hoornvlies- en darmorganen en weefsels en anti-ontsteking, barrière-isolatie en regeneratiebevorderende rollen spelen. Het doel is om het specifieke syntheseproces van gelatine-NB hier in detail te introduceren, zodat gelatine-NB in meer scenario’s van schadeherstel kan worden toegepast. Bovendien moedigen we andere onderzoekers aan om de aard van dit materiaal verder te versterken en uit te breiden om aan meer toepassingsscenario’s te voldoen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Zelfklevende materialen zijn een nieuwe klasse van materiaal. Meer en meer onderzoekers zetten zich in voor de synthese van verschillende soorten kleefmaterialen en proberen hun toepassingen te vinden in biotechnologie, tissue engineering, regeneratieve geneeskunde en andere gebieden, wat de afgelopen jaren tot een krachtige ontwikkeling heeft geleid. Naast de focus op de sterke hechting van kleefmaterialen, besteden onderzoekers ook meer aandacht aan andere eigenschappen, zoals injecteerbaarheid, zelfgenezing, hemostati…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Geen.
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).
