Исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне разработали новую систему для понимания и контроля поведения гранулированных гидрогелей — класса материалов, состоящего из плотно упакованных микроскопических частиц геля. Эти материалы обладают многообещающими приложениями в медицине, 3D-биопечати и восстановлении тканей.
Новое исследование
Новое исследование, [опубликованное](https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202503635) в журнале Advanced Materials, было проведено под руководством профессоров Брендана А. Харли и Саймона А. Роджерса. Их исследовательские группы специализируются на биоматериалах и реологии соответственно.
Уникальные свойства гранулированных гидрогелей
Гранулированные гидрогели обладают уникальной способностью имитировать [механические свойства](https://phys.org/tags/mechanical+properties/) живых тканей, что делает их идеальными кандидатами для инкапсуляции и доставки клеток непосредственно в организм.
Интегрируя синтез материалов и их характеристику с реологическим моделированием, исследователи создали [прогностическую модель](https://phys.org/tags/predictive+model/), которая отражает основные физические принципы деформации гранулированных гидрогелей, сводя сложную проблему к нескольким контролируемым параметрам.
Применение модели
«Чтобы использовать гранулированные гидрогели, нужно уметь помещать их в организм, — говорит Роджерс. — Обычно это включает в себя какой-либо процесс инъекции или печати, что означает, что мы должны понимать, как эти материалы текут и деформируются — их реологию».
Команда применила передовую реологическую модель, разработанную исследовательской группой Роджерса, известную как модель Камани-Донли-Роджерса. Она учитывает концепцию «хрупкости» для описания того, где материал находится в спектре между пластичным и хрупким разрушением.
Результаты
«Зная, насколько хорошо работает наша модель, мы можем рассчитать, как гранулированные гидрогели будут вести себя при любых условиях потока или типе деформации, например, при печати в организме или инъекции в организм», — говорит Роджерс. «Или что произойдёт, когда они окажутся, скажем, в плечевом или коленном суставе, или в любом другом месте инъекции».
Для Харли, чья лаборатория специализируется на разработке имплантируемых биоматериалов, а также на биоматериалах, которые можно использовать в качестве моделей тканей вне организма, например, костного мозга, последствия этого исследования имеют далеко идущие перспективы.
«Здоровый костный мозг необходим для здоровья на протяжении всей жизни, — объясняет Харли. — Именно там мы ежедневно производим все необходимые нам клетки крови и иммунные клетки. С возрастом у людей происходят изменения в динамике поведения костного мозга, а также в частоте гематопоэтических злокачественных новообразований, таких как множественная миелома. Способность создавать и характеризовать всё более сложные гранулированные модели костного мозга открывает совершенно новый способ понять, как эволюция свойств с течением времени влияет на поведение этих важных клеток».
Харли и Роджерс согласны, что объединение их отдельных областей знаний стало ключом к созданию новой системы и заложило основу для применения в реальных условиях.
Заключение
«Мы наблюдаем фундаментальный сдвиг в биомедицине, когда наши сообщества всё чаще используют модели тканей, созданные с помощью инженерии, — говорит Харли. — Это означает, что нам нужно лучше понимать, как создавать всё более сложные и реалистичные модели тканей».
«Этот уровень понимания позволит нам разрабатывать новые материалы, которые сделают людей более здоровыми, быстрее — и помогут им оставаться здоровыми в долгосрочной перспективе», — говорит Роджерс.
Соавторами статьи являются докторанты Гуннар Б. Томпсон и Джийе Ли. Роджерс является профессором кафедры химической и биомолекулярной инженерии в Колледже свободных искусств и наук. Харли — профессор Роберта В. Шефера в области химической и биомолекулярной инженерии и сотрудник Института геномной биологии Карла Р. Вёзе и кафедр материаловедения и инженерии и биоинженерии в Инженерном колледже Грейнджера, а также руководитель программы в Центре рака в Иллинойсе.
Предоставлено [Университетом Иллинойса в Урбане-Шампейне](https://phys.org/partners/university-of-illinois-at-urbana-champaign/).