如何使水凝胶更易于注射

2023-02-01 08:53:32冷酷的灯泡

可注入体内的凝胶状材料具有治愈受伤组织或制造全新组织的巨大潜力。许多研究人员正在努力开发这些用于生物医学用途的水凝胶,但到目前为止,很少有人将其投入临床。

如何使水凝胶更易于注射

此类材料由类似于柔软的乐高积木的微型积木制成,为了帮助指导此类材料的开发,麻省理工学院和哈佛大学的研究人员创建了一套计算模型来预测材料的结构、机械性能和功能性能结果。研究人员希望他们的新框架可以更轻松地设计可以为不同类型的应用程序注入的材料,到目前为止,这主要是一个反复试验的过程。

“从材料的角度和临床应用的角度来看,这真的很令人兴奋,”机械工程副教授、麻省理工学院医学工程与科学研究所成员、该论文的作者 Ellen Roche 说。“更广泛地说,这是一个很好的例子,将基于实验室的数据合成为可用的东西,可以为您提供可应用于这些水凝胶以外事物的预测指南。”

哈佛大学 Hansjörg Wyss 生物启发工程教授 Jennifer Lewis 是这项研究的资深作者,该研究今天发表在Matter杂志上。Connor Verheyen 是哈佛-麻省理工学院健康科学与技术项目的研究生,是该论文的第一作者。

材质建模

当单个水凝胶块紧密地压在一起时,它们会形成一种凝胶状材料,称为颗粒基质。这些材料可以根据条件充当固体或液体,这使它们成为 3D 生物打印工程组织等应用的理想选择。一旦注射或植入体内,它们就可以释放药物或帮助再生受损组织。

“这些材料具有很大的灵活性和可定制性,因此将它们用于生物医学应用令人非常兴奋,”Verheyen 说。

在 Lewis 的实验室工作时,由 Lewis 和 Roche 共同指导的 Verheyen 开始尝试弄清楚如何让这些材料可靠地注射。事实证明,这是一项艰巨的任务,需要进行大量反复试验,通过改变凝胶的不同特性来优化其结构和可注射性的机械性能。

“这促使人们努力获取经验数据,将其转化为机器可以读取和使用的东西,然后要求它构建一个我们可以查询的预测图,以帮助我们了解正在发生的事情以及如何去下一步,”他说。

为了创建他们的设计框架,研究人员将组装过程分为几个阶段。他们使用自己在各种不同条件下进行的实验数据,分别对每个阶段进行建模。

在第一阶段,该模型分析了生物块的特性如何受块起始材料的影响以及它们的组装方式。在第二阶段,生物块堆积在一起形成称为“颗粒状水凝胶”的结构。通过他们的建模,研究人员确定了影响最终凝胶可注射性的几个因素,包括生物块的大小和刚度、块之间间质液的粘度,以及用于注射凝胶的针头和注射器的尺寸.

更好的 可注射性

现在他们已经对整个过程进行了建模,研究人员可以使用他们的模型来预测创建具有特定应用所需特性的材料的最佳方法,而不是经过广泛的反复试验过程每一种新材料。

“我们的长期目标是达到我们拥有可靠且可预测的注射性能的地步,因为这是我们在实验室中真正努力解决的问题——让这些材料正常流动,”Verheyen 说。

他和罗氏实验室的其他人现在计划使用这种建模方法来尝试开发可用于医疗应用的材料,例如修复心脏缺陷或将药物输送到胃肠道。

研究人员还将他们的模型和用于生成模型的数据在线提供给其他实验室使用。

“这一切都是开源的,希望它能减少你在将知识从一个人转移到另一个人时可能会重现另一个实验室甚至在一个实验室内发生的事情所带来的挫败感,”Roche 说。

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