23 Mayıs 2023 – Basit bir enjeksiyonun kırık bir kemiğin iyileşmesini sağladığı bir gün hayal edin. Küçük, sindirilebilir cihazlar vücutta fark edilmeden kaldığında, sağlığımızı takip eder veya hayat kurtaran ilaçlar verir. Beyin ve kalp implantları etle o kadar kusursuz bir şekilde birbirine geçtiğinde vücut onların başından beri orada olduklarını düşünür.
Bunlar, kırık parçaları değiştirmek veya hastalıkları tedavi etmek umuduyla insan vücudunun karmaşık mimarisini taklit etmek için onlarca yıldır uğraşan malzeme bilimcilerin hayalleridir.
Biyomühendislere göre sorun, protezlerden kalp pillerine kadar pek çok yedek ve düzeltici parçanın metal veya plastik gibi sert, kuru, cansız malzemelerden yapılması, biyolojik dokunun ise yumuşak, ıslak ve canlı olması.
Vücut farkı bilir ve taklitleri reddetme eğilimindedir.
Tanım gereği suyla şişmiş moleküllerin üç boyutlu ağları olan hidrojelleri girin.
İlk olarak 1960 yılında yumuşak kontakt lenslerin yaratıcıları tarafından tanımlanan bu garip, şekil değiştiren maddeler, sıvıdan katıya ve arada yumuşacık bir kıvama dönüşebilir. (Erken, basit kullanımlar arasında saç jölesi veya Jell-O bulunur.). Dikkat çekmekte yavaşlar, 1982’de sadece 1.000 araştırma yayınladılar, son zamanlarda yoğun bir çalışmanın konusu haline geldiler. 100.000 kağıt 2020 yılına kadar yayınlanan toplam ve 3.800 zaten bu yıl yalnız.
Kimyagerler, biyologlar ve mühendisler birbirleriyle ve tıp doktorlarıyla daha fazla çalışmaya başladıkça, gelişen hidrojel alanı ilaç alma ve yıpranmış eklemleri tedavi etme şeklimizi değiştirmeye ve görünüşte bilim kurgu bir geleceğin yolunu açmaya hazırlanıyor. beyin de dahil olmak üzere hangi organların makinelerle doğrudan etkileşime girebileceği.
NC, Durham’daki Duke Üniversitesi’nde kimya profesörü olan PhD Benjamin Wiley, “Bizler esasen hidrojelleriz” dedi. “İnsanlar vücudumuzdaki dokularla daha yakından eşleşen yeni hidrojeller geliştirdikçe, daha önce tedavi edemediğimiz bir dizi rahatsızlığı tedavi edebileceğiz.”
Kontakt Lenslerden Beyin İmplantlarına
Basitçe söylemek gerekirse, bir hidrojel bir ağ torbası su gibidir.
Ağ, tekrar eden bir modelde birbirine dikilmiş ve H ile şişmiş polimerlerden veya spagetti benzeri molekül şeritlerinden yapılmıştır.2O, tıpkı vücudumuzdaki 3B matrislerin hücrelerimizi ve dokularımızı çevreleme, destekleme ve onlara yapı kazandırma şekli gibi.
Stanford Üniversitesi’nde malzeme bilimi ve mühendisliği profesörü olan PhD Eric Appel, “Ağı oluşturmak için tüm bu uzun liflerin birbirine dokunduğu bir futbol ağı hayal edin” dedi.
Daha geniş “jel” kategorisi, kimyasal çözücüler de dahil olmak üzere herhangi bir şeyle doldurulabilirken, su, hidrojelleri ayıran temel bileşendir ve bazı bilim adamlarının dediği gibi, onları “insanları ve makineleri birleştirmek” için ideal kılar.
İnsan kemiklerinin yaklaşık %25’i su, kasların yaklaşık %70’i ve beynin %85’i sudur. Kıymetli sıvı, besin maddelerinin içeri girip atılmasından hücrelerin birbirleriyle konuşmasına yardımcı olmaya kadar bir dizi kritik rol oynar.
Laboratuar yapımı hidrojeller, bu işlevlerin bazılarını taklit etmeye yardımcı olan hücreler veya ilaçlar dahil olmak üzere kargo (ağdaki bir top gibi) ile yüklenebilir.
Hidrojeller ayrıca et gibi yumuşak ve esnektir. Bu nedenle, implantlarda kullanılırsa, çevre dokuya zarar verme olasılıkları daha düşük olabilir.
“Puding kasenizdeki metal bir kaşığı düşünün. Kaseyi sallarken kaşık yerinde kalmıyor ve kaşığın etrafında yaralar oluşuyor,” diyor sinir mühendisliği üzerine çalışan bir malzeme bilimcisi olan PhD Christina Tringides. Hastalar nefes aldığında veya hareket ettiğinde beyin implantlarına olan şeyin tam olarak bu olduğunu söylüyor. “Mekanik bir uyumsuzluk. Ancak hidrojellerle mükemmel mekanik uyum elde edebilirsiniz.”
Hidrojeller ayrıca toksik olmama eğilimindedir, bu nedenle bağışıklık sisteminin onlara yabancı cisimler olarak saldırma olasılığı daha düşük olabilir.
Tüm bunlar, hidrojelleri biyomühendislik dünyasının yeni sevgilisi haline getirdi.
Appel, “Bu malzemelere karşı mutlak bir ilgi patlaması oldu” dedi.
Daha Akıllı İlaç Dağıtımı ve Yutulabilir Elektronikler
Hidrojellerin ilk versiyonları kalın ve yapışkandı, bu da onları vücuda sokmayı zorlaştırıyordu.
“Bir blok Jell-O düşünün. Böyle bir şeyi enjekte edemezsiniz, ”dedi Appel.
Ancak laboratuvarı yeni ilaç dağıtım sistemleri geliştiren Appel, bu yüksek teknoloji kürelerinin bir gün zamanla salımlı ilaçları vücutta tam olarak doğru noktaya taşıyabileceği umuduyla yıllardır jel formülleri üzerinde çalışıyor.
Yeni hidrojelleri, bir şırınganın içinde tamamen oluşmuş jeller (ilaç içeriğini korumaya yardımcı olan) olarak başlar. Ancak piston itildiğinde, standart bir iğneden kolayca akacak kadar ince bir sıvıya sihirli bir şekilde şekil değiştirirler. Çıkışta, hemen jellere dönüşürler ve doğal yükü bozulmaya karşı korurlar.
Artrit için Humira’yı veya tip 2 diyabet için Ozempic’i düşünün – bir hapa sıkıştırılamayacak kadar büyük ve karmaşık, hızla bozunan proteinlerden yapılmış birçok son teknoloji ilacın olduğu bir zamanda bu, oyunun kurallarını değiştirebilir. Bunun yerine, sıklıkla sık sık enjekte edilmeleri gerekir.
Appel, “Jelin çözülmesi aylar aldığından, ilacı zamanla yavaşça verir” dedi. “Haftada bir aşıdan 4 ayda bire geçebilirsin.”
Bir girişim kuran ve ilk hidrojel ilacını hızlandırmayı umut eden Appel, bu tür yavaş salınan hidrojellerin aşıların daha uzun süre dayanmasını sağlayabileceğini, bunun karşılığında vücuda ortaya çıkan virüs varyantlarına daha iyi direnmeyi öğretebileceğini ve tümör yok edici tedavileri daha kesin bir şekilde sunabileceğini söyledi. birkaç yıl içinde klinik deneylere dağıtım sistemi.
Bu arada, Massachusetts Institute of Technology’deki başka bir ekip farklı bir yaklaşım benimsedi ve midede bir kirpi balığı gibi şişen, bir ay süren ve bu arada yavaş yavaş uyuşturucu salan standart boyutlu, sindirilebilir bir hidrojel hapı geliştirdi. Hapı çıkarmak için, bir hasta basitçe, pinpon topu büyüklüğündeki cihazı vücuttan dışarı atılabilmesi için buruşturan tuz bazlı bir solüsyon içer.
bir gazetede Doğa İletişimibilim adamları kirpi balığı hapının ülser veya kanser gibi durumları izlemek için küçük kameralar veya monitörlerle de yüklenebileceğini gösterdi.
Projede araştırmacı ve MIT’de makine mühendisliği doçenti olan PhD Xuanhe Zhao, “Rüya, bir kez yutulduğunda midede kalan ve hastanın sağlığını izleyen Jell-O benzeri bir akıllı hapa sahip olmaktır” dedi. .
Eklem Oluşturmak ve Kemikleri Yeniden Büyütmek
1970’lerden bu yana araştırmacılar, insan kıkırdağının yerini almak için hidrojelleri kullanmayı düşündüler; bu, yaklaşık %90’ı sudan yapılmış, ancak madeni para büyüklüğünde bir alanda bir arabanın ağırlığına dayanabilen oldukça güçlü ve esnek bir doku.
Yakın zamana kadar, bu çabalar büyük ölçüde başarısız oldu. Yani diz kıkırdağı aşındığında, kıkırdak nakli, yeni büyümeyi teşvik etmek için delikler açmak veya toplam eklem değiştirme gibi şeyler – hepsi uzun rehabilitasyon gerektirir – tek seçenektir.
Ama bu değişmek üzere olabilir.
Wiley ve Duke’daki meslektaşları kısa bir süre önce, gerçek olandan daha güçlü ve daha dayanıklı olan ilk jel bazlı kıkırdak muadilini geliştirdiklerini bildirdiler.
Hidrojellerini yerine yapışmasına yardımcı olması için bir titanyum desteğe bağlayarak, hasarlı kıkırdağı “bir diş hekiminin bir boşluğu doldurması gibi” ameliyat gerekmeden çok önce onarmayı umuyorlar.
Onlar da hidrojellerini piyasaya sürmek için endüstri ile ortaklık kurdular – dizlerden başlayarak.
Wiley, “Nihayetinde amaç, kalça, ayak bilekleri, parmaklar ve ayak parmakları gibi herhangi bir eklemi yapmaktır” dedi.
Toronto Üniversitesi’nde kimyager Karina Carneiro, PhD ve diş hekimi Christopher McCulloch, DDS de büyük düşünüyor.
yakın tarihli bir gazetede Ulusal Bilimler Akademisi Bildiriler Kitabı, Carneiro tarafından tasarlanan ve DNA’dan yapılmış, enjekte edilebilen, kemikteki bir kusura – onarılamaz bir kırık, ameliyattan kaynaklanan bir delik veya yaşla solmuş çene kemiği – hareket eden ve boşluğu macun gibi dolduran bir hidrojel tanımlıyorlar. Ancak sadece deliği yamamakla kalmaz, aynı zamanda kemiğin yenilenmesini de sağlar.
Ameliyat nedeniyle kafatasında delikler olan farelerde, tedavinin kemikteki delikleri onarmak için mevcut altın standart kadar iyi çalışmadığını gördüler – vücudun başka bir yerinden kemik aşılama. Ama işe yaradı.
Diş Hekimliği Fakültesi’nde bir çalışmanın ortak yazarı ve profesörü olan McCulloch, “Bunlar DNA hidrojelleri için çok erken günler” diye uyardı ve bu tür bir teknolojinin hastaların kullanımına sunulmasının muhtemelen on yıl veya daha fazla süreceğini belirtti. “Ancak, DNA hidrojelinin bir gün son derece invaziv cerrahi prosedürlere gerek kalmadan kemiği büyütme potansiyeli var. Bu önemli bir gelişme.”
Bir Bilim Kurgu Geleceği
Belki de hidrojellerin en çılgın ve en tuhaf potansiyel uygulamaları, insan-makine etkileşimi alanında ortaya çıkıyor.
Çok sayıda şirket, örneğin bir gün felçli ve konuşamayan birinin düşüncelerini kullanarak bir dizüstü bilgisayarda yazmasına izin verebilecek nöral protez veya beyin bilgisayarı arayüzleriyle uğraşıyor.
Jell-O’da kaşık sorunu büyük bir engel oldu.
Ancak yakın zamanda Harvard’dan biyofizik alanında doktora derecesi almış olan Tringides bunun üzerinde çalışıyor.
O ve ekibi, yumuşacık beyin dokusuna güzelce karışabilen, aynı zamanda elektriği de iletebilen küçük nanomalzeme parçacıklarıyla yüklü deniz yosunu bazlı bir hidrojel geliştirdi.
On yıl içinde, bunun elektrokortikografi için kullanılan hantal platin metal disklerin yerini alabileceğini söylüyor – nöbetlerin nerede başladığını belirlemek veya hassas beyin ameliyatı yapmak için beyindeki elektriksel aktiviteyi kaydediyor.
30 ila 50 yılda mı? Hayal gücünüzün vahşi olmasına izin verin.
“Ben bir şüpheciyim. Adım adım araştırma yapmayı seviyorum” dedi. “Ama işler kesinlikle ilginç bir yönde ilerliyor.”