Naukowiec z Worcester Polytechnic Institute (WPI) opracowuje nową klasę medycznych klejów bioadhezyjnych, łącząc hydrożele i polimery o właściwościach klejących, by bezpiecznie i trwale łączyć ludzkie tkanki z urządzeniami terapeutycznymi wszczepianymi do ciała, takimi jak rozruszniki serca, pompy insulinowe czy sztuczne stawy.
Dr Jiawei Yang, adiunkt w Katedrze Inżynierii Mechanicznej i Materiałowej oraz powiązany z Katedrą Inżynierii Biomedycznej, otrzymał prestiżowy grant CAREER Award w wysokości 644 tys. dolarów od National Science Foundation. Celem projektu jest stworzenie bioadhezyjnych materiałów, które zapewnią silną, stabilną adhezję i będą dopasowane do mechanicznych właściwości tkanek biologicznych.
„Urządzenia medyczne i ludzkie ciało są wykonane z zupełnie innych materiałów” – wyjaśnia Yang. – „Urządzenia medyczne są zwykle twarde – z metalu lub plastiku – natomiast tkanki są miękkie i wilgotne. Potrzebujemy lepszych klejów, które również będą miękkie i wilgotne jak tkanki, aby skutecznie łączyć je z implantami. Takie bioadhezyjne materiały mogą znacząco poprawić jakość opieki zdrowotnej i komfort życia pacjentów.”
Innowacyjna struktura bioadhezyjna
Nowe bioadhezyjne materiały będą składać się z dwóch warstw – przezroczystej, stałej warstwy hydrożelowej oraz przezroczystej, ciekłej warstwy klejącej. Yang planuje stworzyć modułowy system hydrożeli dostosowanych do właściwości mechanicznych różnych tkanek, a także polimerów zdolnych do integracji z ludzkimi tkankami. Połączenie tych dwóch warstw umożliwi szybką, silną, stabilną i głęboką adhezję wewnątrz ciała.
W ramach pięcioletniego projektu Yang będzie współpracował z dr. Steffenem Pablem z Massachusetts General Hospital nad stworzeniem hydrożelowej łatki serca nasączonej lekami do leczenia migotania przedsionków. Dodatkowo, Yang opracuje programy edukacyjne i badawcze dotyczące hydrożeli, skierowane do dzieci i studentów. W projekcie uczestniczyć będzie doktorant Jiatai Sun.
Zastosowania bioadhezyjnych hydrożeli
„Istnieje wiele potencjalnych zastosowań dla nowych bioadhezyjnych materiałów” – mówi Yang. – „Mogą być wykorzystywane do mocowania elektrod wszczepianych w leczeniu choroby Parkinsona czy niewydolności serca. Można je także łączyć z substancjami terapeutycznymi w celu leczenia uszkodzonej chrząstki lub regeneracji zdrowych tkanek.”
Hydrożele to materiały składające się głównie z wody i sieci polimerów – bardzo dużych cząsteczek. Przykładami zastosowania hydrożeli są opatrunki, soczewki kontaktowe i superabsorbenty w pieluchach.
Do tej pory hydrożelowe kleje były stosowane głównie w medycynie ratunkowej – do tymczasowego zamykania ran i uszczelniania tkanek. Jednak ze względu na brak trwałej adhezji i niedopasowanie do mechaniki tkanek, były one mało skuteczne w długoterminowych zastosowaniach, zwłaszcza implantacyjnych.
Indywidualne dopasowanie mechaniczne
„Właściwości mechaniczne tkanek ludzkich są bardzo zróżnicowane. Tkanka mózgowa jest niezwykle miękka i wymaga hydrożeli o podobnej miękkości, podczas gdy chrząstka potrzebuje materiału sztywnego, odpornego na zginanie i nacisk” – tłumaczy Yang. – „Nie istnieje jedno rozwiązanie pasujące do wszystkich zastosowań, jeśli chodzi o bioadhezyjne materiały.”
Nagrody CAREER wspierają młodych naukowców rozpoczynających karierę akademicką i tworzących fundamenty pod przyszłe badania. Yang dołączył do kadry naukowej WPI w 2024 roku po uzyskaniu doktoratu na Uniwersytecie Harvarda i pracy badawczej w Boston Children’s Hospital oraz Massachusetts Institute of Technology.
Źródło: Worcester Polytechnic Institute , fot. WPI Photo/Matt Burgos
