Een hydrogel die verstijft bij opwarmen en snel weer zacht wordt na afkoelen. ‘Je kunt er de mechanische omgeving van cellen mee programmeren.’

‘De binnenkant van je lichaam is nooit constant. Als je bijvoorbeeld ademhaalt, neemt de druk op je longcellen enorm toe’, zegt Paul Kouwer, universitair docent moleculair materials aan de Radboud Universiteit. ‘Die mechanische veranderingen zou je willen nabootsen in 3D-celculturen, om zo realistischere celstudies te kunnen doen. Wij hebben nu een hydrogel ontwikkeld waarmee dit kan.’

Hybridegel

Tot nu kon je de stijfheid, en daarmee de druk op de cellen in een celcultuur, van een gel alleen veranderen door het aantal crosslinks in het netwerk ervan aan te passen. ‘Voor een stijvere gel moet je cross­links toevoegen met behulp van enzymen’, vertelt Kouwer. ‘Voor een zachtere gel moet je ze verwijderen voor middel van een licht­reactie. Beide processen omvatten covalente chemie en kun je dus maar één keer uitvoeren.’

‘Metingen laten zien dat krachten in de gel en in spieren hetzelfde zijn’

De nieuwe hydrogel is een hybride. Hij bestaat uit een combinatie van een het thermoreactieve materiaal poly(N-isopropyl­acrylamide) (PNIPAM) en het stress-
reactieve materiaal polyisocyanide (PIC). ‘Bij warmer worden krimpt het PNIPAM ineen, waarna het PIC daarop reageert door samen te trekken en zo stijf te worden’, legt Kouwer uit. ‘PIC is een semiflexibel netwerk. Het is flexibel tot het moment dat je er kracht op uitoefent. Denk aan een bolletje wol: de eerste draadjes kun je er wel uittrekken, maar daarna gaan de strengen strak staan en krijg je het niet meer voor elkaar.’

Ook in je lichaam zijn semiflexibele netwerken te vinden, zoals de actomyosine van spieren. ‘Sterker nog’, stelt Kouwer, ‘metingen laten zien dat krachten in deze dubbele gel en in spieren exact hetzelfde zijn. De verstijving van de gel treedt bovendien heel snel op. Al bij een temperatuurstijging van 1 °C wordt de gel binnen 1 seconde vijftien keer zo stijf. Ook is het proces omkeerbaar; even afkoelen levert weer een zachte gel op.’

Kouwer denkt dat het veld van de tissue engineering enorm veel profijt kan hebben van de hydrogel. ‘Je kunt er echt de mechanische omgeving van cellen mee programmeren. Fibroblasten die een hoofdrol spelen bij wondgenezing zijn bijvoorbeeld erg ‘mechanisch gevoelig’.’ Je kunt ook denken aan onderzoek aan stamcellen, omdat we al bekend is dat die cellen in een stijve omgeving meer geneigd zijn naar botcellen te differentiëren en in een zachte omgeving naar vetcellen. ‘Onbekend is nog wanneer die beslissing wordt gemaakt en waar het omslagpunt ligt wat betreft de drukkracht. De nieuwe hydrogel kan een bijdrage leveren in het onderzoek hiernaar.’

Lichtreactie

Mensen in de biomaterialenwereld zijn heel enthousiast zijn over gel, merkt Kouwer. ‘Ik heb al drie publicaties gezien waarbij de onderzoekers dezelfde succesvolle aanpak hebben geprobeerd met andere materialen. Het concept slaat dus zeker aan.’

De gel is al aardig geoptimaliseerd, maar kan volgens Kouwer nog beter. ‘Die temperatuursverhoging, al is het maar 1 °C, is niet zo fijn voor cellen. We werken nu aan een manier om het verstijvingsproces op gang te brengen door middel van een lichtreactie. Daar kan ik nu verder niets over kwijt, maar het wordt zeker een mooie ontwikkeling.’