Exposição e caracterização do processo sintético de hidrogel adesivo Janus. O diagrama esquemático mostra um recipiente de reação de face aberta, composto por uma caixa com tampa e ilustra a abordagem para produção do hidrogel adesivo Janus envolvendo a agregação do componente LAS, que é impulsionada pela tensão superficial e um efeito de evaporação (A). O esquema ilustra as propriedades contrastantes entre as superfícies superior e inferior do hidrogel Janus (B). A fotografia digital (C) demonstra diferença adesiva entre as faces superior/inferior [hidrogel corado com Rodamina 6G, substrato:PTFE (politetrafluoretileno)]. A fotografia digital (D) demonstra a viabilidade da síntese em larga escala do hidrogel Janus usando uma forma de bolo comercial (é apresentado o tamanho de hidrogel de 280 mm por 230 mm por 3 mm). KPS, persulfato de potássio; TEMDA, N,N,N′,N′-tetrametiletilenodiamina. Crédito:Avanços da Ciência , doi:10.1126/sciadv.adj3186 Os hidrogéis adesivos Janus têm aplicações promissoras nas áreas de saúde. No entanto, um método simples para sintetizar o material ainda precisava ser desenvolvido em laboratório.
Em um novo estudo agora publicado na Science Advances , Huowen Chen e uma equipe de pesquisa na China desenvolveram um método simples para preparar hidrogéis Janus com base em fenômenos fundamentais, incluindo a autoagregação de surfactantes em altas concentrações na interface ar/água.
A equipe combinou uma pequena quantidade de alfa-linoleato de sódio com acrilamida por meio de polimerização de radicais livres e sintetizou os hidrogéis adesivos Janus. Essas construções mostraram notável resistência adesiva, propriedades químicas e morfologia de superfície, que a equipe investigou usando simulações de dinâmica molecular para compreender os mecanismos das propriedades do biomaterial.
Hidrogéis – o básico
Os materiais de rede tridimensionais de hidrogéis são feitos principalmente de cadeias poliméricas hidrofílicas que contêm uma grande quantidade de água. Devido à sua excelente biocompatibilidade, propriedades umectantes e flexibilidade, os materiais são adequados para toda a biomedicina.
Para conseguir isso, os hidrogéis devem ter boas propriedades adesivas com o tecido biológico. Bioengenheiros projetaram recentemente hidrogéis adesivos introduzindo grupos supramoleculares, aminoácidos e ácidos nucléicos hospedeiro-hóspede. Os hidrogéis Janus podem ser criados com diferenças químicas ou físicas entre os lados superior e inferior do hidrogel, através de métodos de imersão, síntese gradual ou fundição em molde.
Como resultado, é crucial desenvolver um método de preparação simples, eficiente e econômico, ecologicamente correto, para aplicar os hidrogéis adesivos Janus. Neste trabalho, Chen e colegas propuseram um novo estudo para sintetizar hidrogéis adesivos Janus explorando sua adesão interfacial.
Durante os experimentos, eles usaram um derivado de ácido graxo insaturado derivado de planta combinado com monômero comercial acrilamida, micelas e alfa-linoleato de sódio como componentes de base. O método proposto é o primeiro plano de estudo para superar os desafios da produção de hidrogel Janus e aumentar a produção de hidrogel adesivo. Foi realizada caracterização do hidrogel Janus. Os espectros de FTIR dos lados superior/inferior do hidrogel PAM-co-LAS-2 (A). Espectros Raman do hidrogel dos lados superior/inferior do hidrogel Janus e do hidrogel PAM puro (B). Dados de RMN de 1H do monômero LAS (azul claro) e dados de RMN de 1H dos lados superiores do PAM-co-LAS-2 (C). O instantâneo da distribuição LAS na simulação de dinâmica molecular (MD) a 40 ns (D). A variação na densidade numérica do LAS em diferentes escalas de tempo de simulação (E). O gráfico ilustra que os lados superior/inferior do hidrogel Janus correspondem a regiões específicas da caixa simulada; especificamente, a parte inferior do hidrogel Janus está associada à região intermediária da caixa simulada devido à periodicidade do sistema (F). a.u., unidades arbitrárias. Crédito:Avanços da Ciência , doi:10.1126/sciadv.adj3186 Preparando os hidrogéis Janus
A equipe de pesquisa projetou os hidrogéis adesivos Janus regulando diversas propriedades entre cada superfície do material, incluindo sua morfologia, composição química e hidrofilicidade.
Inicialmente, eles dissolveram o monômero surfactante em água deionizada para criar uma solução transparente e homogênea com concentração superior à concentração crítica da micela. Posteriormente, a equipe adicionou um monômero acrilamida e metileno bis-acrilamida para preparar o hidrogel e conduziu uma série de caracterizações químicas na superfície e no fundo do hidrogel usando espectroscopia de infravermelho com transformada de Fourier.
Os cientistas notaram fortes picos de absorção característicos em relação ao grupo funcional amônia e ao grupo funcional carbonila. Eles verificaram esses resultados com espectroscopia Raman para indicar a polimerização radicalar do monômero durante a formação do hidrogel. Imagens SEM da morfologia do hidrogel. Lados superior (A), inferior (B) e transversal (C). CA do hidrogel PAM-co-LAS-2 de seus lados superior (D) e inferior (E) e lados superior/inferior do hidrogel PAM (F e G). Crédito:Avanços da Ciência , doi:10.1126/sciadv.adj3186 Experiências adicionais
Os cientistas conduziram estudos de dinâmica molecular para identificar a distribuição de construções de biomateriais e mostrar as moléculas agregadas na interface ar-água sob tensão superficial e forças motrizes térmicas. Os resultados mostraram como a composição química do material variou entre as superfícies para contribuir para sua morfologia e hidrofilicidade.
A equipe conduziu microscopia eletrônica de transmissão para revelar a composição química e a morfologia física distintas do material, com influência distinta em suas propriedades de adesão para investigar as propriedades mecânicas e adesivas do hidrogel.
Como a construção da bioengenharia é um hidrogel adesivo sensível à pressão, os cientistas alcançaram propriedades adesivas suficientes, facilitando um bom contato com o substrato do material. À medida que o teor de alfa-linoleato de sódio aumentou, os módulos compressivos da sinalização do hidrogel diminuíram, para facilitar um módulo compressivo do hidrogel.
Embora a baixa compressão do material garantisse sua adesão, eram necessárias boas propriedades de tração para ajustar as propriedades físicas do material e alcançar o desempenho ideal. Os resultados experimentais totais confirmaram a hipótese de que o surfactante alfa-linoleato de sódio formou diversas distribuições no hidrogel através da tensão superficial e efeitos de evaporação para criar um material adesivo de hidrogel Janus. Os constituintes da construção ofereceram fortes propriedades adesivas e desempenho duradouro. Imagens SEM da morfologia do hidrogel. Lados superior (A), inferior (B) e transversal (C). CA do hidrogel PAM-co-LAS-2 de seus lados superior (D) e inferior (E) e lados superior/inferior do hidrogel PAM (F e G). Crédito:Avanços da Ciência , doi:10.1126/sciadv.adj3186 Caracterizando a biocompatibilidade do material
Chen e colegas caracterizaram os hidrogéis para uma variedade de aplicações médicas e garantiram sua biocompatibilidade considerando cuidadosamente dois componentes principais inofensivos, de acordo com estudos anteriores.
A equipe validou os resultados realizando testes de biocompatibilidade com células fibroblásticas da pele humana usando um ensaio transwell e por contato direto com materiais de hidrogel. Após estudos adicionais, os hidrogéis não exibiram toxicidade para as células fibroblásticas da pele, destacando a excelente biocompatibilidade com grande potencial para uma variedade de aplicações biomédicas, incluindo administração de medicamentos e reparo da pele.
Perspectiva
Desta forma, Huowen Chen e a equipe de pesquisa validam a composição dos hidrogéis adesivos Janus, aproveitando a distribuição heterogênea de surfactantes inspirada em sua agregação natural na interface água-ar. A equipe realizou a síntese em uma etapa do hidrogel adesivo Janus por meio de polimerização por radicais livres. Os resultados do material recentemente desenvolvido exibiram diferenças notáveis na composição química, morfologia e propriedades mecânicas. A capacidade adesiva e a viabilidade celular do hidrogel PAM-co-LAS. Os gráficos mostram o experimento do teste de peeling de 90° e a energia adesiva do hidrogel PAM-co-LAS com diferentes conteúdos do componente LAS; t e b são abreviações para lado superior (t) e lado inferior (b), respectivamente (A a C). (D) Capacidade adesiva repetível do hidrogel PAM-co-LAS-2.0. (E) Alteração da resistência adesiva a longo prazo do hidrogel PAM-co-LAS [(D e E) detectada pelo método de punção plana com PTFE]. (F) Investigando a compatibilidade do hidrogel com células de fibroblastos da pele humana por um ensaio transwell que incuba diretamente as células com hidrogel, no qual o hidrogel estava em contato direto com as células dérmicas humanas. Crédito:Avanços da Ciência , doi:10.1126/sciadv.adj3186 Enquanto a superfície superior do hidrogel Janus apresentou uma textura relativamente áspera, a parte inferior do material apresentou menor energia de adesão. A diferença distinta entre as propriedades de adesão garantiu a preparação dos biomateriais com a distribuição heterogênea de surfactantes para fornecer uma nova estratégia sintética para preparar hidrogéis Janus para uma ampla gama de aplicações práticas. Os resultados em andamento oferecem a capacidade de explorar diferentes surfactantes na síntese do hidrogel Janus para investigar seu potencial biomédico.
Mais informações: Huowen Chen et al, Síntese em uma etapa do hidrogel Janus via distribuição heterogênea de α-linoleato de sódio impulsionada pela autoagregação do surfactante, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adj3186 Informações do diário: Avanços da ciência
