如何使水凝胶更易于注射

可以注射到体内的凝胶状材料具有治愈受伤组织或制造全新组织的巨大潜力。许多研究人员正在努力开发这些用于生物医学用途的水凝胶，但很少有人进入临床。

为了帮助指导这种材料的开发，这些材料是由类似于柔软的乐高积木制成的，麻省理工学院和哈佛大学的研究人员创建了一组计算模型来预测材料的结构、机械性能和功能性能结果。研究人员希望他们的新框架可以更容易地设计可以为不同类型的应用注入的材料，到目前为止，这主要是一个试错过程。

“从材料角度和临床应用的角度来看，这真的很令人兴奋，”麻省理工学院机械工程副教授兼医学工程与科学研究所成员Ellen Roche说。“更广泛地说，这是一个很好的例子，它采用基于实验室的数据并将其合成为可用的东西，可以为您提供预测指南，可以应用于这些水凝胶以外的事物。

罗氏和哈佛大学Hansjörg Wyss生物启发工程教授Jennifer Lewis是该研究的资深作者，发表在《物质》杂志上。哈佛-麻省理工学院健康科学与技术项目的研究生Connor Verheyen是该论文的主要作者。

材料建模

当单个水凝胶块被密集压实时，它们会形成一种称为颗粒基质的凝胶状材料。根据条件，这些材料可以充当固体或液体，使其成为3D生物打印工程组织等应用的良好候选者。一旦注射或植入体内，它们可以释放药物或帮助再生受伤的组织。

“这些材料具有很大的灵活性和可定制性，因此将它们用于生物医学应用非常令人兴奋，”Verheyen说。

在刘易斯的实验室工作时，由刘易斯和罗氏共同建议的Verheyen开始试图弄清楚如何使这些材料可靠地注射。事实证明，这是一项艰巨的任务，需要大量的试错实验，通过改变凝胶的不同特征，希望优化其结构和机械行为以实现可注射性。

“这激发了人们努力获取经验数据，将其转化为机器可以读取和使用的东西，然后要求它构建一个预测地图，我们可以询问该地图，以帮助我们了解正在发生的事情以及如何进入下一步，”他说。

为了创建他们的设计框架，研究人员将组装过程分为几个阶段。他们分别对这些阶段中的每个阶段进行建模，使用来自自己实验的数据，这些实验是在各种不同的条件下完成的。

在第一阶段，该模型分析了生物块特性如何受到块的起始材料以及它们如何组装的影响。在第二阶段，生物块被包装在一起形成称为“颗粒水凝胶”的结构。通过他们的建模，研究人员确定了影响最终凝胶可注射性的几个因素，包括生物块的大小和刚度，块之间间隙液的粘度以及用于注射凝胶的针头和注射器的尺寸。

更好的注射性

现在他们已经从头到尾对过程进行了建模，研究人员可以使用他们的模型来预测创建具有特定应用所需特性的材料的最佳方法，而不是对每种新材料进行广泛的试错过程。

“我们的长期目标是达到具有可靠和可预测的注射特性的程度，因为这是我们在实验室中真正努力解决的问题 - 让这些材料正常流动，”Verheyen说。

他和罗氏实验室的其他人现在计划使用这种建模方法来尝试开发可用于医疗应用的材料，例如修复心脏缺陷或将药物输送到胃肠道。

研究人员还在线提供了他们的模型和用于生成模型的数据，供其他实验室使用。

“这都是开源的，希望它能减少对你可能重现另一个实验室甚至一个实验室中发生的事情的挫败感，当你将知识从一个人转移到另一个人时，”罗氏说。

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