Razvoj fotopolimerizacije z odpiranjem obroča za 3D-tiskanje sintetičnih polipeptidov

Visokomodularna platforma z naravnimi gradniki daje sintetičnim polipeptidom obetaven potencial za različne biomedicinske aplikacije. Polimerizacija z odpiranjem obroča (ROP) N-karboksianhidridov α-aminokislin (NCA), naravnega in/ali nenaravnega izvora, zagotavlja preprosto in uporabno pot za pripravo polipeptidov visoke molekulske mase, ki v strukturi lahko vsebujejo različne stranske funkcionalne skupine. Ker so sintetični polipeptidi biokompatibilni in biorazgradljivi materiali, jih uporabljamo za dostavo zdravilnih učinkovin in genov ter v tkivnem inženirstvu. Tridimenzionalno (3D) tiskanje objektov je trenutno obetavna metoda izdelave ogrodij z definiranimi dimenzijami, ki zagotavlja dober nadzor nad prostorsko kemijo. Pri 3D-tiskanju material selektivno nanašamo v plasteh, da tvori izbran predmet (ekstrudiranje in brizganje) ali pa selektivno utrjujemo tekočino s pomočjo fotopolimerizacije, kateri sledi odstranjevanje nezreagirane tekočine (fotopolimerizacija v kadi). Polipeptidi so kot surovina za 3D-tiskanje slabo raziskani, z le nekaj nedavnimi primeri tiskanja z brizganjem in ekstrudiranjem, ki so omejeni na polipeptide določene kemijske sestave, ki izkazujejo primerne reološke lastnosti za tovrstno tehnologijo tiskanja. Za biomedicinske aplikacije želimo večjo raznolikost v kemijski sestavi polipeptidov, ki bi omogočila vključitev funkcionalnih skupin v strukturo in tako odzivnost na zunanje dražljaje in nadaljnjo modifikacijo s specifičnimi biomolekulami. Prilagajanje kemijske sestave polipeptidov bi omogočilo tudi optimizacijo hidrofilnosti in mehanskih lastnosti ogrodja ter izboljšanje adhezije in razraščanja celic. Kemijsko raznolikost 3D-tiskanih polipeptidov je lažje doseči s fotopolimerizacijo v kadi, vendar ta pristop še ni raziskan, saj je razvoj področja fotopolimerizacije z odpiranjem obroča (foto-ROP) NCA-monomerov šele v začetni fazi in trenutno kinetika polimerizacije ni ustrezna, da bi zadostila potrebe fotopolimerizacije v kadi. Želeno je namreč, da polimerizacija poteče le na mestu osvetlitve, hkrati pa moramo preprečiti, da aktivne zvrsti difundirajo v neosvetljeno območje, kjer bi tudi lahko sprožile nenadzorovano polimerizacijo, saj zaradi tega izgubimo prostorski nadzor, kar vodi do manjše ločljivosti tiskanja. Za 3D-tiskanje je zato potrebna hitra kinetika polimerizacije in hkrati učinkovita možnost zaustavitve le-te. Cilj predlaganega projekta je razviti nov sistem foto-preklopne ROP NCA-monomerov za pripravo sintetičnih polipeptidov za namene 3D-tiskanja. Naš cilj je doseči: (i) časovni nadzor nad hitro foto-ROP (nadzor nad tem, kdaj se polimerizacija začne, ustavi in nadaljuje, z uporabo svetlobe kot sprožilca) in (ii) prostorski nadzor s selektivno prostorsko zaustavitvijo ROP (nadzor nad tem, kje polimerizacija poteka), kar bo omogočilo pripravo zamreženih polipeptidnih predmetov vnaprej določenih kompleksnih oblik, brez uporabe kalupov. Rezultati projekta bodo prispevali k razvoju področja fotopolimerizacije NCA in zagotovili osnovo za razvoj 3D-tiskanja sintetičnih polipeptidov s fotopolimerizacijo v kadi, ki je nedvomno obetavna tehnologija za proizvodnjo kompleksnih biomimetičnih ogrodij. V tem projektu tako predlagamo kislinsko-bazni sistem, ki omogoča fotoiniciacijo in fotoinhibicijo, s čimer lahko časovno in prostorsko poljubno sprožimo in ustavimo ROP NCA. V ta namen bo reakcijski sistem vseboval NCA-monomer(e), fotobazo in fotokislino, ki je pred osvetlitvijo neaktiven. Osvetlitev reakcijske zmesi s svetlobo določene valovne dolžine bo sprostila iz fotobaze v sistem terciarni amin, ki predstavlja stikalo za vklop ROP NCA. Med potekom ROP bomo lahko kadarkoli in na katerem koli mestu s svetlobo druge valovne dolžine iz fotokisline sprožili kislino, ki bo protonirala aktivne zvrsti in s tem preprečila nadaljnjo polimerizacijo. Predlagani projekt bo nedvoumno utrl pot razvoja nove generacije 3D-tiskanih polipeptidnih ogrodij, ki bodo uporabna za namene tkivnega inženiringa po meri.