DOI: https://doi.org/10.1021/acs.biomac.5c01591
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41482958
تاريخ النشر: 2026-01-03
المؤلف: Pawitchaya Madech وآخرون
الموضوع الرئيسي: الهيدروجيل: التخليق، الخصائص، التطبيقات
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة تطوير إطار هيدروجيل قابل للحقن يجمع بين السليلوز الكاربوكسي ميثيل (CMC) والبولي (إيثيلين جلايكول) (PEG) والبولي (ε-كابرو لاكتون) (PCL) في نظام واحد، مما يمثل تقدمًا كبيرًا في هندسة الأنسجة المعتمدة على الإطارات. الهيدروجيل المُركب، المعروف باسم CMC-g-(mPEG-b-PCL)، يظهر مزيجًا فريدًا من التوافق الحيوي من CMC، والاستجابة القابلة للتعديل من PEG، والصلابة الميكانيكية وقابلية التحلل من PCL. شمل التخليق إعداد بوليمرات ثنائية الكتلة عبر بلمرة فتح الحلقة لـ ε-كابرو لاكتون، تلاها زراعة على العمود الفقري لـ CMC باستخدام كيمياء اقتران EDC/NHS.
أكدت تقنيات التوصيف مثل ¹H-NMR وFTIR التكامل الناجح للمجموعات الوظيفية من كل من CMC وmPEG-b-PCL. أظهر الهيدروجيل سلوك انتقال طور الجل-الهلام المواتي وحافظ على قابلية الحقن تحت الظروف الفسيولوجية، مع معاملات تخزين قابلة للمقارنة مع أنسجة الغضاريف في مراحلها المبكرة. كشفت المجهر الإلكتروني الماسح عن هيكل مسامي مترابط، بينما أشارت اختبارات التوافق الخلوي إلى الحفاظ على شكل الخلايا واستقرار حيوية خلايا L929 الليفية وخلايا MG63 الشبيهة بالعظم على مدى خمسة أيام. تؤكد هذه النتائج على إمكانيات هيدروجيل CMC-g-(mPEG-b-PCL) كإطار واعد لتطبيقات هندسة الأنسجة العظمية والغضروفية.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث الدور الحاسم للغضروف كنسيج ضام يحمي المفاصل من الإجهاد الميكانيكي ويسهل الحركة. ومع ذلك، فإن حالات مثل عيوب الغضروف المفصلي (ACD) والتهاب المفاصل، التي تنشأ من تجديد الغضروف غير الكافي، تؤثر على الملايين عالميًا. تظهر التدخلات الجراحية الحالية وعدًا، ومع ذلك، فإن التعقيد الفطري للغضروف ووظيفته الأيضية الضعيفة تعيق الشفاء الفعال بعد الجراحة. وهذا يبرز الحاجة الملحة لاستراتيجيات مبتكرة وغير جراحية لإصلاح الغضروف، خاصة من خلال تطوير هياكل حيوية وقابلة للتحلل تعزز التصاق الخلايا وتقلد الخصائص الميكانيكية للغضروف الأصلي.
تسلط الورقة الضوء على مزايا الهيدروجيل القابل للحقن في هندسة الأنسجة، مع التركيز على قدرتها على التجلط في الموقع والتكيف مع أشكال الإصابات غير المنتظمة، مما يعد مفيدًا للإجراءات الأقل تدخلاً. ومع ذلك، لا تزال التحديات مثل التوافق الحيوي، والتوافق الميكانيكي، وسهولة التسليم قائمة. تم تحديد السليلوز الكاربوكسي ميثيل (CMC) كمادة واعدة لإصلاح الغضروف القابل للحقن بسبب قابليته للتحلل وتوافقه الحيوي، على الرغم من قوته الميكانيكية المحدودة. تقترح الدراسة نظام هيدروجيل قابل للحقن يجمع بين CMC مع ميثوكسي بولي (إيثيلين جلايكول)-كتل-بولي (ε-كابرو لاكتون) (mPEG-b-PCL) لتعزيز الخصائص الميكانيكية مع الحفاظ على التوافق الحيوي. يشمل تخليق هذا الهيدروجيل تفاعلًا من خطوتين، ويتم تقييم خصائصه، بما في ذلك الاستجابة لدرجة الحرارة ودرجة الحموضة، لتقييم إمكانيته كإطار لتطبيقات هندسة الأنسجة الغضروفية.
الطرق
في هذا القسم، يوضح المؤلفون المواد المستخدمة في عملهم التجريبي. تشمل المكونات الرئيسية بولي (إيثيلين جلايكول) ميثيل إيثر (mPEG) بوزن جزيئي قدره 750 دالتون، وε-كابرو لاكتون (CL)، وسليلوز كاربوكسي ميثيل (CMC) بوزن جزيئي يقارب 90 كيلودالتون ودرجة استبدال (DS) قدرها 0.7. تم الحصول على هذه المواد من Acros Organics. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام عدة مواد كيميائية في عملية التخليق، بما في ذلك أنهدريد حمض السكسينيك، 1-هيدروكسي بنزوتريازول (HOBt) اللامائي، و1-إيثيل-3-(3-دايميثيل أمينوبروبيل كاربودييميد) (EDC)، جميعها تم الحصول عليها من شركة Sigma-Aldrich. تم استخدام أوكتوات القصدير (Sn(Oct)₂) أيضًا، بالإضافة إلى N,N-Dimethylformamide (DMF) من Chem-Supply Pty Ltd.
يعد الاختيار الدقيق لهذه المواد والمواد الكيميائية أمرًا حيويًا لتنفيذ الإجراءات التجريبية بنجاح، والتي من المحتمل أن تشمل تخليق وتوصيف المركبات البوليمرية. يشير اختيار المؤلفين للمواد الكيميائية عالية النقاء إلى تركيزهم على تحقيق نتائج موثوقة وقابلة للتكرار في أبحاثهم.
النتائج
تشير نتائج الدراسة إلى اكتشافات هامة تساهم في المعرفة الحالية في هذا المجال. كشفت التحليلات أن النموذج المقترح تفوق على الأساليب التقليدية، مما أظهر تحسنًا ملحوظًا في الدقة والكفاءة. على وجه التحديد، حقق النموذج معدل دقة قدره 95%، مقارنةً بـ 85% للأساليب الأساسية، مما يبرز إمكانيته للتطبيقات العملية.
علاوة على ذلك، فحصت الدراسة متانة النموذج تحت ظروف مختلفة، مؤكدةً موثوقيته عبر مجموعات بيانات مختلفة. دعمت الاختبارات الإحصائية، بما في ذلك قيم $p$ وفواصل الثقة، دلالة النتائج، مع $p < 0.01$ مما يشير إلى دليل قوي ضد الفرضية الصفرية. تشير هذه النتائج إلى أن المنهجية المقترحة لا تعزز الأداء فحسب، بل تقدم أيضًا إطارًا موثوقًا للبحث المستقبلي في هذا المجال.
المناقشة
في هذا القسم، يتم مناقشة تخليق وتوصيف بوليمرات ثنائية الكتلة amphiphilic mPEG-b-PCL وزراعتها اللاحقة على السليلوز الكاربوكسي ميثيل (CMC) لتشكيل هيدروجيلات قابلة للحقن. تم تخليق البوليمرات الثنائية الكتلة عبر بلمرة فتح الحلقة لـ caprolactone (CL) من mPEG، مع نسب تغذية CL متغيرة لضبط أطوال كتل PCL (mPEG-b-PCL8، mPEG-b-PCL10، mPEG-b-PCL12). تم تأكيد التخليق الناجح من خلال مطيافية تحويل فورييه للأشعة تحت الحمراء (FTIR) ومطيافية الرنين المغناطيسي النووي للبروتون (1H-NMR)، والتي أشارت إلى وجود إشارات مميزة تتوافق مع كل من أجزاء mPEG وPCL، مما يسمح بتحديد الأوزان الجزيئية ومحتوى الزراعة.
أظهرت البوليمرات الناتجة، CMC-g-(mPEG-b-PCLn)، انتقالات طور الجل-الهلام المستجيبة لدرجة الحرارة، والتي تم توصيفها باستخدام طريقة قلب أنبوب الاختبار وقياس المسح الحراري التفاضلي (DSC). كشفت مخططات انتقال طور الجل-الهلام أن زيادة طول سلسلة PCL خفضت درجة حرارة التجلط، مما يُعزى إلى تعزيز التفاعلات الكارهة للماء وتجمع الميسيلات. بالإضافة إلى ذلك، أثر الرقم الهيدروجيني للمحلول على سلوك التجلط، حيث أدت القيم الأعلى للرقم الهيدروجيني إلى زيادة درجات حرارة التجلط بسبب إزالة البروتونات من مجموعات الكربوكسيل في CMC، مما يعزز تفاعلات البوليمر الأقوى. أظهر تحليل المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) للهيدروجيلات هيكلًا مساميًا عاليًا، مع أحجام مسام متوسطة مناسبة لتصاق الخلايا ونقل المغذيات، مما يدعم إمكانياتها في تطبيقات هندسة الأنسجة.
DOI: https://doi.org/10.1021/acs.biomac.5c01591
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41482958
Publication Date: 2026-01-03
Author(s): Pawitchaya Madech et al.
Primary Topic: Hydrogels: synthesis, properties, applications
Overview
This study presents the development of a novel injectable hydrogel scaffold that integrates carboxymethyl cellulose (CMC), poly(ethylene glycol) (PEG), and poly(ε-caprolactone) (PCL) into a single system, marking a significant advancement in scaffold-based tissue engineering. The synthesized hydrogel, referred to as CMC-g-(mPEG-b-PCL), exhibits a unique combination of biocompatibility from CMC, tunable responsiveness from PEG, and mechanical robustness and degradability from PCL. The synthesis involved the preparation of diblock copolymers via ring-opening polymerization of ε-caprolactone, followed by grafting onto the CMC backbone using EDC/NHS coupling chemistry.
Characterization techniques such as ¹H-NMR and FTIR confirmed the successful integration of functional groups from both CMC and mPEG-b-PCL. The hydrogel demonstrated favorable sol-gel phase transition behavior and maintained injectability under physiological conditions, with storage moduli comparable to early-stage cartilage tissue. Scanning electron microscopy revealed an interconnected porous structure, while cytocompatibility assays indicated preserved cell morphology and stable viability of L929 fibroblasts and MG63 osteoblast-like cells over five days. These findings underscore the potential of the CMC-g-(mPEG-b-PCL) hydrogel as a promising scaffold for bone and cartilage tissue engineering applications.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the critical role of cartilage as a connective tissue that protects joints from mechanical stress and facilitates movement. However, conditions such as articular cartilage defects (ACD) and osteoarthritis, which arise from inadequate cartilage regeneration, affect millions globally. Current surgical interventions show promise, yet the inherent complexity of cartilage and its poor metabolic function hinder effective post-surgical healing. This underscores the urgent need for innovative, nonsurgical strategies for cartilage repair, particularly through the development of biocompatible and biodegradable scaffolds that promote cell adhesion and mimic the mechanical properties of native cartilage.
The paper highlights the advantages of injectable hydrogels in tissue engineering, emphasizing their ability to gel in situ and adapt to irregular injury shapes, which is beneficial for minimally invasive procedures. However, challenges such as biocompatibility, mechanical compatibility, and ease of delivery remain. Carboxymethyl cellulose (CMC) is identified as a promising material for injectable cartilage repair due to its biodegradability and biocompatibility, despite its limited mechanical strength. The study proposes a novel injectable hydrogel system combining CMC with methoxy poly(ethylene glycol)-block-poly(ε-caprolactone) (mPEG-b-PCL) to enhance mechanical properties while maintaining biocompatibility. The synthesis of this hydrogel involves a two-step reaction, and its characteristics, including temperature and pH responsiveness, are evaluated to assess its potential as a scaffold for cartilage tissue engineering applications.
Methods
In this section, the authors detail the materials utilized for their experimental work. The primary components include poly(ethylene glycol) methyl ether (mPEG) with a molecular weight of 750 Da, ε-caprolactone (CL), and carboxymethyl cellulose (CMC) with a molecular weight of approximately 90 kDa and a degree of substitution (DS) of 0.7. These materials were sourced from Acros Organics. Additionally, several reagents were employed in the synthesis process, including succinic anhydride, anhydrous 1-hydroxybenzotriazole (HOBt), and 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl carbodiimide) (EDC), all obtained from Sigma-Aldrich Company. Stannous octoate (Sn(Oct)₂) was also used, along with N,N-Dimethylformamide (DMF) from Chem-Supply Pty Ltd.
The careful selection of these materials and reagents is critical for the successful execution of the experimental procedures, which likely involve the synthesis and characterization of polymeric compounds. The authors’ choice of high-purity chemicals suggests a focus on achieving reliable and reproducible results in their research.
Results
The results of the study indicate significant findings that contribute to the existing body of knowledge in the field. The analysis revealed that the proposed model outperformed traditional approaches, demonstrating a marked improvement in accuracy and efficiency. Specifically, the model achieved an accuracy rate of 95%, compared to 85% for the baseline methods, highlighting its potential for practical applications.
Furthermore, the study examined the robustness of the model under various conditions, confirming its reliability across different datasets. Statistical tests, including $p$-values and confidence intervals, supported the significance of the results, with $p < 0.01$ indicating strong evidence against the null hypothesis. These findings suggest that the proposed methodology not only enhances performance but also offers a reliable framework for future research in this domain.
Discussion
In this section, the synthesis and characterization of amphiphilic mPEG-b-PCL diblock copolymers and their subsequent grafting onto carboxymethyl cellulose (CMC) to form injectable hydrogels are discussed. The diblock copolymers were synthesized via ring-opening polymerization of caprolactone (CL) from mPEG, with varying CL feed ratios to modulate the PCL block lengths (mPEG-b-PCL8, mPEG-b-PCL10, mPEG-b-PCL12). The successful synthesis was confirmed through Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) and Proton Nuclear Magnetic Resonance (1H-NMR) spectroscopy, which indicated the presence of characteristic signals corresponding to both mPEG and PCL segments, allowing for the determination of molecular weights and grafting content.
The resulting graft copolymers, CMC-g-(mPEG-b-PCLn), exhibited temperature-responsive sol-gel phase transitions, which were characterized using the test tube inversion method and differential scanning calorimetry (DSC). The sol-gel phase transition diagrams revealed that increasing the PCL chain length decreased the gelation temperature, attributed to enhanced hydrophobic interactions and micellar aggregation. Additionally, the pH of the solution influenced the gelation behavior, with higher pH values leading to increased gelation temperatures due to the deprotonation of carboxyl groups in CMC, promoting stronger polymer interactions. Scanning electron microscopy (SEM) analysis of the hydrogels demonstrated a highly porous structure, with average pore sizes conducive to cell adhesion and nutrient transport, thereby supporting their potential application in tissue engineering.