Synthese von stark adhäsivem Hydrogel, Gelatine O-Nitrosobenzaldehyd
Summary
Das hier vorgestellte Protokoll zeigt die Synthese eines stark adhäsiven Hydrogels Gelatine o-Nitrosobenzaldehyd (Gelatine-NB). Gelatine-NB hat eine schnelle und effiziente Gewebeadhäsionsfähigkeit, die eine starke physikalische Barriere zum Schutz von Wundoberflächen bilden kann, so dass erwartet wird, dass es auf dem Gebiet der Biotechnologie zur Reparatur von Verletzungen angewendet wird.
Abstract
Klebstoffe sind zu beliebten Biomaterialien im Bereich der Biomedizin und des Tissue Engineering geworden. In unserer früheren Arbeit haben wir ein neues Material vorgestellt – Gelatine o-Nitrosobenzaldehyd (Gelatine-NB) -, das hauptsächlich für die Geweberegeneration verwendet wird und in Tiermodellen von Hornhautverletzungen und entzündlichen Darmerkrankungen validiert wurde. Hierbei handelt es sich um ein neuartiges Hydrogel, das durch Modifikation von biologischer Gelatine mit o-Nitrosobenzaldehyd (NB) gebildet wird. Gelatine-NB wurde synthetisiert, indem die Carboxylgruppe von NB-COOH aktiviert und mit Gelatine durch 1-(3-Dimethylaminopropyl)-3-ethylcarbodiimidhydrochlorid (EDC) und N-Hydroxysuccinimid (NHS) reagiert wurde. Die erhaltene Verbindung wurde gereinigt, um das Endprodukt zu erzeugen, das mindestens 18 Monate stabil gelagert werden kann. NB hat eine starke Adhäsion an –NH2 auf dem Gewebe, das viele C = N-Bindungen bilden kann, wodurch die Adhäsion von Gelatine-NB an der Gewebegrenzfläche erhöht wird. Der Herstellungsprozess umfasst Schritte zur Synthese der NB-COOH-Gruppe, zur Modifikation der Gruppe, zur Synthese von Gelatine-NB und zur Reinigung der Verbindung. Ziel ist es, den spezifischen Syntheseprozess von Gelatine-NB im Detail zu beschreiben und die Anwendung von Gelatine-NB zur Schadensreparatur zu demonstrieren. Darüber hinaus wird das Protokoll vorgestellt, um die Art des von der wissenschaftlichen Gemeinschaft erstellten Materials für anwendbarere Szenarien weiter zu stärken und zu erweitern.
Introduction
Hydrogel ist eine Art dreidimensionales Polymer, das durch Wasserquellen gebildet wird. Insbesondere Hydrogel, das aus einer extrazellulären Matrix gewonnen wird, ist aufgrund seiner hervorragenden Biokompatibilität und therapeutischen Wirksamkeit im Bereich der Biosynthese und der regenerativen Medizin weit verbreitet1. Hydrogele wurden zur Behandlung von Magengeschwüren, Neuritis, Myokardinfarkt 2,3,4 und anderen Krankheiten berichtet. Darüber hinaus wurde nachgewiesen, dass Gelatine-NB das Ergebnis einer entzündungsinflammatorischen Darmerkrankung (IBD) fördern kann5. Zu den herkömmlichen Hydrogelen gehören Gellangummi, Gelatine, Hyaluronsäure, Polyethylenglykol (PEG), geschichtete, hydrophobe/hydrophile, Alginat/Polyacrylamid-Hydrogele, Doppelnetzwerke und polyamphotere Hydrogele6, die alle eine gute Histokompatibilität und mechanische Eigenschaften aufweisen. Diese traditionellen Hydrogele sind jedoch anfällig für Feuchtigkeit und Luft in der Umwelt. Wenn sie längere Zeit der Luft ausgesetzt sind, verlieren sie Wasser und trocknen. Wenn sie längere Zeit in das Wasser eingetaucht sind, nehmen sie Wasser auf und dehnen sichaus 7, wodurch ihre Flexibilität und mechanische Funktion verringert wird. Darüber hinaus ist die Aufrechterhaltung der Gewebehaftung herkömmlicher Hydrogele eine große Herausforderung8.
Auf dieser Grundlage haben wir ein nanoskaliges Hydrogel-Gelatine-NB entworfen und synthetisiert, bei dem es sich um ein neuartiges Hydrogel handelt, das durch Modifikation von biologischer Gelatine mit NB gebildet wird (Abbildung 1). NB hat eine starke Adhäsionsfähigkeit an –NH2 auf dem Gewebe, das eine große Anzahl von C = N-Bindungen bilden kann, wodurch die Adhäsivität der Hydrogel-Gewebe-Grenzfläche erhöht wird. Diese starke Haftung kann dazu führen, dass das Hydrogel fest an der Gewebeoberfläche haftet und so eine molekulare Beschichtung auf Nanoebene bildet. In früheren Studien des Teams wurde bestätigt, dass diese Art der modifizierten Hydrogelbeschichtung die Gewebehaftung verbessert hat9; Es kann stabil an Hornhaut- und Darmorganen und -geweben haften und eine entzündungshemmende, barriereisolierende und regenerationsfördernde Rolle spielen. Ziel ist es, hier den spezifischen Syntheseprozess von Gelatine-NB im Detail vorzustellen, so dass Gelatine-NB in mehr Szenarien der Schadensbehebung eingesetzt werden kann. Darüber hinaus ermutigen wir andere Forscher, die Natur dieses Materials weiter zu stärken und zu erweitern, um mehr Anwendungsszenarien gerecht zu werden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Klebstoffe sind eine neue Materialklasse. Immer mehr Forscher widmen sich der Synthese verschiedener Arten von Klebstoffen und versuchen, ihre Anwendungen in der Biotechnologie, im Tissue Engineering, in der regenerativen Medizin und in anderen Bereichen zu finden, was in den letzten Jahren zu einer starken Entwicklung geführt hat. Neben der starken Haftung von Klebstoffen achten die Forscher auch verstärkt auf andere Eigenschaften wie Injektionsfähigkeit, Selbstheilung, Blutstillung, antibakterielle, kontrollierte En…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nichts.
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).
