Pela primeira vez, uma família de hidrogéis foi criada, com propriedades únicas que permitem sua utilização em aplicações biológicas. O trabalho, publicado recentemente na Polymer, poderia anunciar a introdução de uma nova classe de bio-tintas ou veículos de distribuição de drogas.

Os hidrogéis são redes de cadeias macromoleculares reticuladas que têm uma estrutura altamente porosa que lhes permite inchar com a água. Eles são estruturas macias com propriedades viscoelásticas frequentemente complexas que podem ser ajustadas pela adaptação de seus componentes químicos e sua densidade de reticulação. Desta forma, eles podem ser adaptados para sentir e se ajustar às mudanças em seu ambiente, como temperatura, pH, pressão, luz, ou mesmo a presença de outros produtos químicos.

Uma conhecida família de hidrogéis à base de copolímeros de poli (óxido de etileno) (PEO) foi combinada com um polímero mecanicamente robusto conhecido como Nafion. As propriedades dos novos complexos de polímero foram reveladas por uma série de técnicas, incluindo espalhamento de raios-X de pequeno ângulo (SAXS) na linha de luz de difração e espalhamento de pequeno ângulo (I22) na fonte de luz Diamond. A adição de Nafion mostrou melhorar drasticamente as propriedades mecânicas dos hidrogéis, tornando-os candidatos promissores para uma variedade de aplicações, como sistemas de liberação de drogas e bioprinting 3-D.

Hidrogéis injetáveis

Uma das aplicações mais fascinantes dos hidrogéis é no campo da liberação de medicamentos. Os hidrogéis podem ser engenhosamente ajustados para mudar sua fase de um líquido injetável para um gel dentro do corpo, que se dissolve gradualmente para liberar lentamente uma droga aprisionada. Os benefícios disso são abrangentes para pacientes e profissionais de saúde. Tipicamente, os hidrogéis injetáveis ​​são baseados em copolímeros de PEO, pois são bem caracterizados e têm uma transição de fase definida para um gel à temperatura corporal. Contudo, esses hidrogéis têm propriedades mecânicas fracas e liberam drogas rapidamente.

Para resolver as deficiências da atual onda de injetáveis, uma equipe de cientistas da University of Central Lancashire, combinou-os com um polímero mecanicamente estável conhecido como Nafion. Este polímero foi descoberto no final da década de 1960 e possui um conjunto único de propriedades que levaram ao seu uso como membrana de troca de prótons para células a combustível. Uma vez que sua natureza biocompatível e não tóxica foi recentemente revelada, Nafion também tem sido usado para aplicações biomédicas, como revestimentos de implantes e biossensores.

Misturas de Nafion

A equipe preparou misturas de Nafion com dois copolímeros diferentes:E ₁₉ P ₆₉ E ₁₉ e B ₂₀ E ₅₁₀ (onde E era OCH ₂ CH ₂ , P era OCH ₂ CH (CH ₃ ) e B era OCH ₂ CH (C ₂ H ₅ )). O Nafion ligou-se extensivamente aos dois copolímeros, conforme demonstrado por uma variedade de técnicas. Bem como microbalança de cristal de quartzo com monitoramento de dissipação (QCM-D), os hidrogéis híbridos foram submetidos a espalhamento dinâmico de luz, reologia, e SAXS. Dr. Antonios Kelarakis, pesquisador sênior da University of Central Lancashire, e o investigador principal do estudo explicou sua abordagem:"Não queríamos comprometer a injetabilidade dos polímeros com a adição de Nafion, então, uma vez que soubemos que os hidrogéis híbridos tinham as fortes propriedades mecânicas de que precisávamos, usamos SAXS para explorar sua estrutura. "

Em I22, as misturas de hidrogel foram montadas entre janelas de mica em uma célula líquida equipada com banho-maria para controle de temperatura. Os padrões SAXS bidimensionais foram coletados usando um detector de área Pilatus P3-2M e todos os padrões foram corrigidos para as flutuações do feixe incidente, bem como a dispersão do ar e do instrumento antes da conversão para perfis unidimensionais.

Propriedades aprimoradas

A adição de Nafion mostrou aumentar a viscoelasticidade dos copolímeros existentes, melhorando assim a sua resistência mecânica. Além disso, as misturas também passaram por transições sol-gel nítidas e termicamente reversíveis abaixo da temperatura corporal, indicando que eles mantiveram sua capacidade injetável. Os sistemas também foram testados quanto à capacidade de liberar ibuprofeno, e o Nafion diminuiu drasticamente a liberação da droga; um efeito que se acredita ser conferido por uma porosidade mais baixa ou interações droga-matriz mais fortes. Dr. Kelarakis elaborou sobre essas descobertas, “Além de veículo para medicamentos, este complexo de polímero pode ser usado como uma bio-tinta para impressão 3-D, uma vez que se converte facilmente de um líquido em um gel. Existem poucos materiais disponíveis atualmente para esta técnica, mas mostramos que podemos fazer um material promissor que pode suportar muito estresse. "

O próximo passo para esta pesquisa fascinante é uma investigação completa sobre a evolução do complexo de hidrogel durante o estresse, que será realizado in situ usando um reômetro em I22. A equipe pretende explorar os efeitos do Nafion em outros polímeros e também pretende introduzir nanopartículas aos hidrogéis, para que eles pudessem ser usados ​​para bioimagem. A esperança é que as moléculas de imagem possam ser liberadas lentamente para o corpo próximo ao local de interesse (como uma ferida) para iluminar componentes fisiológicos selecionados.