Gli idrogel con pettini molecolari a denti fini possono realizzare impianti duraturi per il monitoraggio del glucosio
I ricercatori del Texas A&M hanno messo a punto una membrana di idrogel che potrebbe essere utilizzata per formare biosensori trapiantati sotto la pelle per monitorare i livelli di zucchero nei diabetici
In un nuovo studio, pubblicato online sulla rivista American Chemical Society (ACS) Applied Polymer Materials , gli scienziati della Texas A&M University hanno riferito di aver progettato una membrana di idrogel che può essere utilizzata per ospitare materiali di rilevamento del glucosio ottico, per la costruzione di un biosensore per il monitoraggio dello zucchero livelli nei diabetici.
Incorporando catene molecolari a pettine penzolanti all’interno di un tipo di idrogel chiamato poly (N-isopropylacrylamide) o poly NIPAAm in breve, hanno dimostrato che la membrana potrebbe prevenire la fuoriuscita di molecole di piccole dimensioni, come quelle per il rilevamento del glucosio, mentre consentendo comunque al glucosio di diffondersi liberamente dentro e fuori.
Quando sono pronte per l’uso clinico, i ricercatori hanno affermato che queste membrane potrebbero essere utilizzate per formare biosensori che potrebbero essere facilmente impiantati sotto la pelle del polso e potrebbero offrire un’alternativa più comoda agli impianti transdermici, che si trovano parzialmente all’esterno della pelle. Inoltre, a differenza degli impianti transdermici che devono essere cambiati ogni poche settimane, questo tipo di impianto sottocutaneo potrebbe dover essere sostituito solo ogni pochi mesi.
“Abbiamo lavorato molto sui materiali idrogel esaminando le proprietà meccaniche e le reazioni da corpi estranei, ma il nostro grande obiettivo è sempre stato quello di utilizzare membrane poli NIPAAm per costruire un biosensore del glucosio sottocutaneo”, ha detto la dott.ssa Melissa Grunlan, professoressa e titolare della cattedra Charles H. e Bettye Barclay presso il Dipartimento di Ingegneria Biomedica. “In questo studio, siamo stati in grado di mettere a punto le proprietà di diffusione di questi idrogel che abbiamo precedentemente identificato come un candidato promettente per la costruzione di biosensori del glucosio funzionanti a lungo termine”.
I Poly NIPAAms sono una classe di idrogel organici che hanno una consistenza morbida, come le lenti a contatto. Una delle loro proprietà attraenti è che possono subire gonfiori e deswelling ciclici con piccole fluttuazioni di temperatura nel corpo. Poiché la loro superficie cambia dinamicamente con la temperatura, scoraggiano l’attaccamento di cellule e biomolecole. Questo meccanismo attivo e autopulente rende gli idrogel poli NIPAAm attraenti per gli impianti poiché riducono al minimo l’attacco del sistema immunitario.
Per utilizzare la membrana in poli NIPAAm per il monitoraggio della glicemia, deve contenere un numero sufficiente di molecole o saggi sensibili al glucosio. Inoltre, la longevità dell’idrogel dipende anche dalla capacità della membrana di trattenere queste molecole di analisi senza che fuoriescano.
“Pensa all’idrogel NIPAAm come un maglione lavorato a maglia in cui gli spazi tra le maglie sono formati da punti incrociati. In questo momento, questi spazi o finestre negli idrogel sono troppo grandi, lasciando passare le molecole del test”, ha detto Grunlan. “Se le analisi continuano a filtrare in questo modo, non avremo un sensore a lungo funzionamento”.
Pertanto, Grunlan e il suo team hanno concentrato i loro sforzi nella messa a punto delle proprietà dei poli NIPAAms per limitare la fuoriuscita di molecole sensibili al glucosio pur consentendo al glucosio di diffondersi liberamente attraverso l’idrogel.
Per ridurre le dimensioni degli spazi vuoti, i ricercatori hanno inserito molecole penzolanti di diverse cariche, lunghezze e concentrazioni nell’idrogel poli NIPAAm. Quando sono incorporate nell’idrogel, queste molecole creano barriere a forma di pettine, i cui denti sono progettati per bloccare la diffusione di molecole di piccole dimensioni. Per verificare se questa architettura simile a un pettine può limitare la diffusione dei sensori di glucosio, hanno anche inserito nell’idrogel molecole contrassegnate in modo fluorescente chiamate destrani, che fungevano da proxy per le molecole sensibili al glucosio. Successivamente, hanno posto l’idrogel in acqua e hanno misurato la quantità di fluorescenza nell’acqua dovuta alla fuoriuscita di destrani dall’idrogel.
I ricercatori hanno scoperto che quando hanno usato una molecola caricata negativamente chiamata poli (acido 2-acrilammido-2-metil-1-propansolfonico) o PAMP, i pettini hanno impedito la diffusione dei destrani. Inoltre, hanno anche osservato che le molecole di glucosio non erano ostacolate nel loro flusso dentro e fuori dall’idrogel.
Grunlan ha osservato che ora che hanno la prova del concetto che i loro idrogel possono frenare la fuoriuscita di piccoli destrani, il passo successivo della loro ricerca sarebbe costruire un biosensore con molecole sensibili al glucosio contenute all’interno della membrana.
“Anche se il nostro presente studio non ha coinvolto molecole di rilevamento reali, mostra in modo molto conclusivo e preciso cosa possono fare le architetture a pettine per gli idrogel per limitare la diffusione”, ha detto Grunlan. “Questo è stato uno studio sistematico per mostrare l’efficacia del nostro approccio e la possibilità di estendere i nostri risultati ad altre aree di ricerca diverse dal rilevamento del glucosio per le quali è necessario progettare idrogel con diffusione limitata”.