p Tecidos que suportam cargas, como músculos e cartilagens, normalmente mostram alta elasticidade, tenacidade e taxas de recuperação rápidas. Contudo, combinar essas propriedades mecânicas em laboratório para construir biomateriais sintéticos é fundamentalmente desafiador. Em um novo estudo agora publicado em Avanços da Ciência , Wenxu Sun e uma equipe de pesquisa em física, mecânica de engenharia e dispositivos inteligentes na China, desenvolveu um forte, hidrogel resistente e de rápida recuperação. A equipe projetou o material usando crosslinkers com interações dinâmicas cooperativas. Eles projetaram um decapeptídeo rico em histidina (cadeia de 10 aminoácidos) contendo dois motivos de ligação de zinco (Zn) em série (consecutivos) para facilitar a estabilidade termodinâmica, força de ligação mais forte e taxa de ligação mais rápida do construto, em comparação com motivos de proteína de ligação única ou proteínas de ligando isoladas. Os hidrogéis de rede híbrida projetada com o complexo de peptídeo de zinco exibiram alta estabilidade, resistência e recuperação rápida em segundos. A equipe de pesquisa espera que os andaimes gerenciem com eficácia as aplicações de engenharia de tecidos de suporte de carga e funcionem como blocos de construção para a robótica flexível. Os novos resultados fornecem uma rota geral para ajustar as propriedades mecânicas e dinâmicas dos hidrogéis em nível molecular. p Quando andamos, nossos músculos, cartilagem e tendões estão sujeitos a cargas mecânicas substanciais, mas os tecidos biológicos podem se recuperar rapidamente para funcionar de forma confiável por muitos ciclos mecânicos. Os bioengenheiros exploraram os hidrogéis macios com propriedades mecânicas semelhantes a músculos como atuadores biomecânicos, cartilagem sintética, músculo artificial, pele iônica e em robótica suave. Eles têm dedicado muitos esforços para aumentar a resistência mecânica e a tenacidade dos hidrogéis, introduzindo mecanismos especiais de dissipação de energia. A recuperação rápida também é uma característica única para tecidos moles de suporte de carga, além da resistência mecânica e tenacidade, mas os hidrogéis sintéticos ainda carecem de um mecanismo de recuperação rápida. Por exemplo, Os hidrogéis de rede dupla tradicional (DN) ou de rede híbrida (HN) com cadeias curtas de polímero, visto que as redes de sacrifício geralmente não podem se recuperar logo, geralmente levando de alguns minutos a dias.

p A força de um hidrogel depende da vida útil de seus reticuladores, onde a cinética de ligação / desacoplamento lenta leva a hidrogéis fortes, enquanto as taxas de câmbio rápidas geram taxas suaves. Para obter alta resistência e tenacidade, os reticuladores devem ser lentos, mas para obter uma recuperação rápida, os reticuladores devem ser dinâmicos com altas taxas de associação e dissociação. Para superar essa contradição, materiais de suporte de carga de ocorrência natural têm usado a cooperatividade de interações fracas. Nesse trabalho, Sun et al. hidrogéis de rede híbrida (HN) com engenharia semelhante, com um complexo de metal-peptídeo projetado especificamente como o reticulador físico. A equipe formou locais de ligação de metal eficientes em uma sequência de peptídeos para criar hidrogéis com as características necessárias.

p A equipe projetou primeiro três peptídeos curtos ricos em histidina (peptídeos HR) como ligantes para se ligarem aos íons de zinco (Zn ²⁺ ) e construir hidrogéis de HN. Eles denotaram as sequências de peptídeos como PH ₁ , PH ₃ e PH ₆ com base no número de histidinas ligadas. Sun et al. sintetizou os peptídeos usando a síntese de peptídeos em fase sólida e os purificou com cromatografia líquida de alta performance. Eles observaram a formação de Zn ²⁺ complexos de coordenação de histidina usando espectroscopia ultravioleta (UV) e Raman. A sequência de peptídeo especificamente projetada permitiu o Zn sinérgico e cooperativo ²⁺ afinidade de ligação, em comparação com peptídeos com resíduos de histidina aleatórios em suas sequências. Os cientistas estudaram o mecanismo molecular da ligação cooperativa do íon zinco ao PH ₆ usando dicroísmo circular, os resultados sugerem mudanças conformes do primeiro sítio de coordenação do PH ₆ ser crítico para a ligação cooperativa e mostrou como as mudanças estruturais favoreceram o Zn adicional ²⁺ obrigatório.

p Sun et al. usaram técnicas avançadas, como microscopia de força atômica (AFM), espectroscopia de força de molécula única (SMFs) para medir a estabilidade mecânica do HR-peptídeo-Zn ²⁺ complexos, isto é, reticuladores do hidrogel ao nível molecular. As forças de ruptura médias foram muito maiores para PH ₆ em comparação com outros tipos de hidrogéis, confirmando a dureza do hidrogel. Os resultados mostraram que a estabilidade mecânica dos complexos metal-ligante pode ser melhorada consideravelmente com base nos locais de ligação.

p The team explored if changes to the intrinsic properties of crosslinkers could alter macroscopic mechanical properties of the hydrogel by preparing a series of hybrid network (HN) hydrogels. They used HR-peptide-Zn ²⁺ as sacrificial crosslinkers and covalent bonds as permanent crosslinkers in the constructs and named the resulting hydrogels as HN-PH ₁ , HN-PH ₃ , and HN-PH ₆ , based on the peptide sequence used. The network structures were similar in all three hydrogels but the HN-PH ₆ gel was more compressible compared to the others, while functioning effectively under stressful mechanical environments. Interessantemente, the scientists could even twist the HN-PH ₆ hydrogel into a spiral shape and compress the material with a sharp blade without causing it permanent damage.

p The team conducted tensile mechanical tests on the gels and correlated the results on the bulk level with those at the molecular level, to show remarkably higher break strain, Young's modulus and toughness for the HN-PH ₆ gels. Sun et al. then examined the recovery property of the material based on loading-unloading cycles and found HN-PH ₆ gels to almost totally recover its macroscopic mechanical properties in minutes. Contudo, if they cut up the HN-PH ₆ gels into pieces, the hydrogel could not self-heal since covalent crosslinkers do not reform after fracture. To understand the experimental outcomes, the research team also conducted theoretical analyses and proposed cooperative zinc binding on PH ₆ to be an important factor, among other factors to form strong and tough hydrogels with fast recovery rates.

p Desta maneira, Wenxu Sun and colleagues developed a novel hydrogel material, bioinspired by histidine residues found in natural load-bearing materials. Combining such outstanding mechanical properties in the lab has remained a challenge due to the inability to effectively harness the unique metal ion binding properties that are encoded in natural proteins. Nesse trabalho, Sun et al. used bioinspired Zn ²⁺ -binding peptide as crosslinkers to form the desired hydrogels at the molecular level, highlighting the importance of cooperative metal coordination during materials synthesis. They intend to examine additional mechanical features, such as adhesion to other tissues, before conducting practical applications in tissue engineering. p © 2020 Science X Network