3-D impresso, órgãos transplantáveis ​​podem soar como ficção científica, mas, graças aos avanços na química de polímeros, eles poderiam se tornar uma realidade. Os hidrogéis com resposta a estímulos representam uma ampla classe de materiais macios que mudam suas propriedades mecânicas quando certos gatilhos externos são aplicados. Pesquisadores do ano passado do laboratório de Jonathan Barnes, professor assistente de química, criou um novo tipo de músculo molecular artificial a partir de um polímero que muda de cor e se contrai quando exposto à luz azul. Materiais semelhantes prometem uma ampla gama de aplicações, particularmente na medicina.

Barnes começou a trabalhar com hidrogéis porque queria desenvolver um material que pudesse mudar de forma, Tamanho, e propriedades mecânicas quando acionados - assim como nossos músculos fazem quando se expandem e se contraem. "Muitas pessoas disseram que nunca conseguiríamos a quantidade de contração que esperávamos, "Barnes lembrou, "mas na verdade funcionou melhor do que jamais imaginamos."

Em "Fotopadronização reversível de hidrogel:controle espacial e temporal sobre as propriedades mecânicas do gel usando catálise fotoredox de luz visível, "publicado em 17 de junho na revista Materiais e interfaces aplicados ACS , O laboratório de Barnes apresentou um novo tipo de polímero responsivo que se baseia no sucesso do estudo anterior. O novo trabalho da equipe focou no desenvolvimento de soft, materiais biocompatíveis que poderiam suportar cargas pesadas - materiais que, no futuro, podem ser particularmente adequados para usos médicos, como próteses ou órgãos transplantáveis.

Faheem Amir, autor principal do artigo e pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Barnes, afirma que esse tipo de estudo atende a uma lacuna atual em tecnologia. "As células nos sistemas vivos enfrentam um ambiente 3-D, ainda a maioria dos estudos que são feitos em células são feitos em materiais 2-D, "ele explicou. Hidrogéis que são fortes, ainda macio e elástico, pode fornecer uma maneira para cientistas como Amir colocar as células em um sistema 3-D e ver como as células se comportam em diferentes condições.

A equipe redesenhou a química por trás das reações de seus polímeros para criar novos hidrogéis usando um polímero biocompatível. O material de base, atualmente usado em lentes de contato, permite maior elasticidade e pode, por sua vez, suportar melhor redes de células 3-D.

Desde seu sucesso inicial, a equipe trabalhou para melhorar a velocidade da reação e seu método de ativação. Os primeiros hidrogéis exigiam submersão em uma solução de redução química, mas o novo material da equipe responde à luz visível por meio da inclusão de um fotocatalisador na rede de hidrogel. Esta área quente da química é conhecida como catálise fotoredox, e expandiu drasticamente a usabilidade dos hidrogéis do laboratório Barnes.

"Estamos usando o fotocatalisador para absorver luz e transferir um elétron para o nosso polímero, que aciona o material. Assim que desligamos a luz e o material fica exposto ao oxigênio do ar ambiente, inverte o processo, "Barnes explicou." É como uma esponja. Quando empurramos toda a água para fora, é menor, mas então quando você o joga de volta na água, ele vai inchar de volta. É o mesmo tipo de processo natural, sistemas mecânicos, como músculos. "

Uma vez que a equipe soube que o processo funcionaria usando luz visível, eles queriam refinar sua aplicação iluminando e ativando apenas locais muito precisos no gel, não tudo disso. Este é o foco deste estudo:o novo hidrogel pode não apenas atuar como nas iterações anteriores, mas também com precisão?

Amir relatou sucesso em várias áreas. “O processo resultou em aumentos significativos na rigidez do material macio, resistência à tracção, e a porcentagem de alongamento antes de quebrar, tudo o que poderia ser facilmente revertido por meio de oxidação e inchaço na água, ", disse ele. Os hidrogéis também permitiam uma resolução espacial precisa e controle sobre onde as ativações ocorriam, que a equipe ilustrou com a fotopadronização de um desenho da bandeira americana.

Agora que os pesquisadores do laboratório de Barnes têm controle espacial sobre a ativação do hidrogel, eles podem otimizá-lo para aplicações biomédicas em colaboração com a Washington University School of Medicine (WUSM). "Sabemos o suficiente sobre a estrutura básica dos órgãos para podermos imprimi-los em 3-D em princípio, mas nos faltam os materiais, "Barnes disse.

Os pesquisadores no laboratório de Barnes irão se concentrar em mostrar que seus hidrogéis são duráveis ​​o suficiente para suportar aplicações com células suspensas em uma matriz 3-D. Ser capaz de ativar áreas específicas em três dimensões é um passo fundamental para o sucesso do crescimento do tecido em uma cultura de células 3-D. Refinamentos adicionais ao material incluirão ativá-lo com outros comprimentos de onda de luz, como infravermelho, que permitiria a ativação não invasiva através do tecido humano. O objetivo final seria criar um injetável, Hidrogel personalizado para impressão 3D - uma "bio-tinta" personalizada construída a partir do próprio tecido do paciente - que pode ser seletivamente ativada através da pele, apenas iluminando-o. Isso permitiria aplicações altamente especializadas dentro do corpo.

"Seguindo em frente, desenvolvemos uma colaboração com o Dr. Moe Mahjoub da WUSM, onde estamos estudando os efeitos da atuação fotoinduzida no comportamento celular, "Disse Amir. Os colaboradores esperam que seus hidrogéis acionados sejam capazes de imitar o tecido humano, criando uma plataforma geral para uso em inúmeras aplicações. A versatilidade da tecnologia-chave da equipe, seu reticulador polimerizável, apóia este objetivo:os pesquisadores podem combinar seu reticulador com qualquer monômero para criar polímeros personalizados com recursos e propriedades mecânicas cuidadosamente ajustados.

"Aceitamos essa ideia de que ninguém pensava que funcionaria a ponto de realmente mostrarmos relevância biomédica com esses materiais. Isso está indo muito além da química fundamental, e mesmo além do WashU, para construir colaborações em todo o país e até mesmo no mundo, "disse Barnes. Esta pesquisa foi apresentada na reunião da American Chemical Society (ACS) em abril passado. Veja a apresentação completa de Barnes, "O material semelhante a um músculo se expande e se contrai em resposta à luz, "da ACS Orlando 2019.