Modelo avançado desbloqueia mecânica granular de hidrogel para aplicações biomédicas

Pesquisadores da Universidade de Illinois Urbana-Champaign desenvolveram uma nova estrutura para entender e controlar o comportamento de fluxo dos hidrogéis granulares-uma classe de materials composto de partículas de gel microscópicas densamente embaladas com aplicações promissoras em medicina, bioprinting 3D e reparo de tecidos.

O novo estudo, publicado em Materiais avançadosfoi liderado por professores de engenharia química e biomolecular Brendan A. Harley e Simon A. Rogers, cujos grupos de pesquisa são especializados em engenharia e reologia dos biomateriais, respectivamente.

Hidrogéis granulares têm uma capacidade única de imitar o propriedades mecânicas de tecido vivo, o que os torna candidatos ideais para encapsular e entregar células diretamente no corpo. Ao integrar a síntese e a caracterização do materials com a modelagem reológica, os pesquisadores criaram um modelo preditivo Isso captura a física essencial de como os hidrogéis granulares se deformem – reduzindo um problema complexo para alguns parâmetros controláveis.

“Para usar hidrogéis granulares, você precisa colocá -los dentro de um corpo”, disse Rogers. “Isso normalmente envolve algum tipo de processo de injeção ou tipo de impressão, o que significa que precisamos entender como esses materiais fluem e se deformam – ou sua reologia. Os pesquisadores anteriores adotaram o que eu consideraria uma abordagem reológica tradicional e as medidas relatadas que sabemos que são incompletas e sabemos que não representam com precisão a física que ocorre”.

Aqui, a equipe aplicou um modelo reológico avançado previamente desenvolvido pelo Rogers Analysis Group, conhecido como o modelo Kamani-Donley-Rogers, que fatores no conceito de “bravilidade” para descrever onde um materials está no espectro entre falha dúctil e quebradiça. Ao quantificar essa propriedade, juntamente com o comportamento da tensão de escoamento, o modelo constrói uma imagem abrangente da reologia dos hidrogéis granulares e permite que os pesquisadores adaptem essas propriedades durante o processo de síntese para atender às necessidades de tecidos específicos.

“Sabendo como nosso modelo funciona bem, poderíamos calcular como os hidrogéis granulares se comportarão sob qualquer condição de fluxo ou tipo de deformação, como ser impresso no corpo ou injetado no corpo”, disse Rogers. “Ou o que aconteceria quando estiverem, digamos, uma articulação do ombro ou uma articulação do joelho, ou onde quer que sejam injetados nela.”

Para a Harley, cujo laboratório é especializado em biomateriais implantáveis ​​de engenharia, bem como biomateriais que podem ser usados ​​como modelos de tecidos fora do corpo, como a medula óssea, as implicações são abrangentes.

“Uma medula óssea saudável é essencial para a saúde ao longo da vida”, explicou Harley. “É onde produzimos todo o sangue e células imunes que precisamos diariamente. À medida que os humanos envelhecem, temos mudanças na dinâmica de como a medula óssea se comporta, e temos mudanças na frequência de neoplasias hematopoiéticas, como mieloma múltiplo. medula óssea está oferecendo uma maneira totalmente nova de entender como essa evolução nas propriedades ao longo do tempo afeta como essas células essenciais se comportam “.

Harley e Rogers concordam que reunir suas áreas separadas de especialização foi essencial para produzir a nova estrutura e estabelecer as bases para a aplicação do mundo actual.

“Estamos começando a ver uma mudança elementary na biomedicina, onde nossas comunidades estão cada vez mais usando modelos de tecidos projetados, e isso significa que temos que entender melhor como criar modelos de tecidos cada vez mais sofisticados e cada vez mais realistas”, disse Harley. “O trabalho que estamos fazendo é elementary para ter modelos de tecido de alta qualidade que você pode usar para entender Progressão da doença e envelhecimento, e validar novas terapêuticas “.

“Esse nível de entendimento nos permitirá projetar novos materiais que tornarão as pessoas mais saudáveis, mais rápidas – e as ajudarão a permanecer mais saudáveis ​​a longo prazo”, disse Rogers.

Os companheiros de predoctor, Gunnar B. Thompson e Jiye Lee, são co-primeiro autores no jornal. Rogers é um estudioso de professores de Westwater em Engenharia Química e Biomolecular (CHBE) na Faculdade de Artes Liberais e Ciências. Harley é o professor de Robert W. Schaefer em Chbe e é afiliado ao Instituto de Biologia Genômica de Carl R. Woese e aos departamentos de Ciência e Engenharia de Materiais e Bioengenharia no Grainger School of Engineering e é líder de programa no Centro de Câncer em Illinois.