Hidrogelul ultrastabil inspirat de mucus rezistă la acidul gastric și promovează vindecarea gastrointestinală

Un studiu experimental complex a descris dezvoltarea unui hidrogel ultrastabil inspirat de mucusul gastric, capabil să mențină aderență și integritate structurală în medii extrem de acide. Cercetarea demonstrează că acest material biomimetic depășește semnificativ limitările hidrogelurilor convenționale și ale agenților mucoprotectori existenți, deschizând perspective noi pentru tratamentul bolilor gastrointestinale și pentru livrarea țintită de medicamente.
Hidrogelurile sunt considerate biomateriale de referință în aplicații terapeutice precum livrarea de medicamente, vindecarea rănilor, ingineria tisulară și biosenzorii, datorită biocompatibilității ridicate și proprietăților fizico-chimice ajustabile. Integrarea lor eficientă cu țesuturile vii le conferă versatilitate funcțională în multiple contexte clinice.

Totuși, stabilitatea hidrogelurilor în medii extrem de acide reprezintă o limitare majoră. Expunerea prelungită la acid determină degradarea rețelei reticulate, pierderea proprietăților mecanice și reducerea aderenței la suprafețele biologice. Strategiile clasice de creștere a rezistenței la acid, precum creșterea densității de reticulare sau modificările chimice agresive, afectează frecvent flexibilitatea și compatibilitatea biologică.

Hidrogelurile pe bază de proteine recombinante au ameliorat parțial aceste probleme, însă aderența lor interfațială rămâne insuficientă în condiții de aciditate extremă. În acest context, mucusul gastric a devenit o sursă de inspirație, fiind un material natural capabil să combine aderența puternică cu stabilitatea în medii acide.

Despre studiu

Conceptul biomimetic și designul materialului

Cercetătorii de la Universitatea Politehnică din Hong Kong (PolyU) au dezvoltat un hidrogel ultrastabil inspirat de mucus (UMIH), conceput pentru a reproduce mecanismele naturale prin care mucusul gastric aderă și rezistă la aciditate severă. Elementul central al designului îl reprezintă utilizarea proteinelor cu punct izoelectric ridicat, bogate în aminoacizi bazici.

În medii acide, protonarea acestor reziduuri:

• Amplifică interacțiunile electrostatice cu suprafețele biologice încărcate negativ
• Contribuie la neutralizarea acidității locale
• Îmbunătățește compatibilitatea interfațială cu mucoasa gastrointestinală

Arhitectura moleculară și reticularea dublă

UMIH integrează trei componente esențiale care acționează sinergic:

• ELR-IK24, o proteină cu punct izoelectric ridicat, responsabilă de protonare și aderență electrostatică
• Acid tanic, care consolidează aderența umedă prin legături de hidrogen și interacțiuni hidrofobe
• Hexametilen diizocianat, utilizat pentru reticulare chimică și stabilizare structurală

Această reticulare duală, chimică și fizică, conferă materialului o rețea nanofibroasă dens organizată, cu fibre de aproximativ 100 nanometri, asociată direct cu performanțele mecanice și adezive superioare.

Proprietăți mecanice și comportament reologic

Analizele reologice au arătat că UMIH prezintă un modul de stocare de aproximativ 103 Pa, de peste zece ori mai mare decât materialele de control. Hidrogelul manifestă comportament de subțiere prin forfecare, facilitând injectarea minim invazivă, urmată de o recuperare rapidă a structurii după aplicare.

Rezultate

Aderență extremă în medii acide

UMIH a demonstrat o forță de aderență umedă de 64,7 kPa la pH 2, depășind:

• Materialele de control cu aproximativ 75%
• Gelul de fosfat de aluminiu, utilizat clinic, de peste 15 ori

Simulările moleculare au confirmat că protonarea proteinelor generează o densitate de sarcină pozitivă crescută, intensificând interacțiunile electrostatice și energia de legare la interfață.

Neutralizarea acidului și stabilitatea pe termen lung

Hidrogelul a fost capabil să neutralizeze 28,51 mL de acid și să își mențină integritatea structurală timp de peste 7 zile în condiții care simulează mediul gastric. După această perioadă, materialul a păstrat peste 50% din masa inițială, depășind semnificativ alternativele existente.

Rezistență la fractură și coeziune internă

Testele de fractură au arătat o energie de propagare a fisurilor de aproximativ 397 J/m², mult superioară materialelor de control și agenților mucoprotectori clasici. Această performanță reflectă capacitatea rețelei duale de a disipa energia mecanică și de a preveni eșecul coeziv.

Eficiență biologică in vitro

UMIH a demonstrat biocompatibilitate excelentă cu celulele epiteliale esofagiene și a stimulat semnificativ proliferarea acestora. La 72 de ore, rata de proliferare a fost de peste două ori mai mare comparativ cu materialele de control.

n plus, hidrogelul a indus polarizarea macrofagelor către un fenotip antiinflamator, cu scăderea expresiei markerilor proinflamatori și creșterea markerilor de reparare tisulară.

Rezultate in vivo

Modelele animale pe șobolani și porci au confirmat aderența persistentă, reducerea inflamației, stimularea angiogenezei și accelerarea regenerării epiteliale. Densitatea capilară și proliferarea celulară au fost semnificativ mai mari în grupul tratat cu UMIH.

Analizele transcriptomice au arătat profiluri de expresie genetică apropiate de țesuturile sănătoase, cu activarea accentuată a genelor implicate în angiogeneză, metabolism energetic și remodelarea matricei extracelulare.

Implicații clinice și aplicații potențiale

UMIH combină aderența extremă, neutralizarea acidului și degradarea controlată, abordând una dintre cele mai mari provocări ale terapiei gastrointestinale. Proprietățile sale antimicrobiene, imunomodulatoare și regenerative îl recomandă pentru:

• Tratamentul leziunilor esofagiene și gastrice
• Protecția mucoasei în boala de reflux
• Livrarea localizată de medicamente sau agenți oncologici
• Dispozitive implantabile și bioelectronică flexibilă

Concluzie

Hidrogelul ultrastabil inspirat de mucusul gastric reprezintă o inovație majoră în domeniul biomaterialelor. Prin integrarea mecanismelor naturale de aderență cu ingineria moleculară avansată, acest material oferă performanțe fără precedent în medii extrem de acide. Deși sunt necesare studii clinice pentru validare, rezultatele preclinice indică un potențial semnificativ de translație către practica medicală, cu aplicații extinse în gastroenterologie și medicina regenerativă.