Extremely strong and tough hydrogels as prospective candidates for tissue repair – A review

Ideal candidates for the repair of robust biological tissues should exhibit diverse features such as biocompatibility, strength, toughness, self-healing ability and a well-defined structure. Among the available biomaterials, hydrogels, as highly hydrated 3D-crosslinked polymeric networks, are promising for Tissue Engineering purposes as result of their high resemblance with native extracellular matrix. However, these polymeric structures often exhibit a poor mechanical behavior, hampering their use in load-bearing applications. During the last years, several efforts have been made to create new strategies and concepts to fabricate strong and tough hydrogels. Although it is already possible to shape the mechanical properties of artificial hydrogels to mimic biotissues, critical issues regarding, for instance, their biocompatibility and hierarchical structure are often neglected. Therefore, this review covers the structural and mechanical characteristics of the developed methodologies to toughen hydrogels, highlighting some pioneering efforts employed to combine the aforementioned properties in natural-based hydrogels.

Diseño y caracterización de plataformas de biorreconocimiento basadas en el uso de nanoestructuras, biomoléculas y polímeros. Aplicaciones para el desarrollo de (bio)sensores electroquímicos. Design and characterization of biorecognition platforms based on the use of nanostructures, biomolecules and polymers. Applications for the development of electrochemical (bio)sensors.

Los requerimientos de métodos analíticos que permitan realizar determinaciones más eficientes en diversas ramas de la Química, así como el gran desarrollo logrado por la Nanobiotecnología, impulsaron la investigación de nuevas alternativas de análisis. Hoy, el campo de los Biosensores concita gran atención en el primer mundo, sin embargo, en nuestro país es todavía un área de vacancia, como lo es también la de la Nanotecnología. El objetivo de este proyecto es diseñar y caracterizar nuevos electrodos especialmente basados en el uso de nanoestructuras y estudiar aspectos básicos de la inmovilización de enzimas, ADN, aptámeros, polisacáridos y otros polímeros sobre dichos electrodos a fin de crear nuevas plataformas de biorreconocimiento para la construcción de (bio)sensores electroquímicos dirigidos a la cuantificación de analitos de interés clínico, farmaco-toxicológico y ambiental.Se estudiarán las propiedades de electrodos de C vítreo, Au, "screen printed" y compósitos de C modificados con nanotubos de C (CNT) y/o nanopartículas (NP) de oro y/o nanoalambres empleando diversas estrategias. Se investigarán nuevas alternativas de inmovilización de las biomoléculas antes mencionadas sobre dichos electrodos, se caracterizarán las plataformas resultantes y se evaluarán sus posibles aplicaciones analíticas al desarrollo de biosensores con enzimas y ADNs como elementos de biorreconocimiento. Se funcionalizarán CNT con polímeros comerciales y sintetizados en nuestro laboratorio modificados con moléculas bioactivas. Se diseñarán y caracterizarán nuevas arquitecturas supramoleculares basadas en el autoensamblado de policationes, enzimas y ADNs sobre Au. Se evaluarán las propiedades catalíticas de NP de magnetita y de perovskitas de Mn y su aplicación al desarrollo de biosensores enzimáticos. Se diseñarán biosensores que permitan la detección altamente sensible y selectiva de secuencias específicas de ADNs de interés clínico. Se estudiará la interacción de genotóxicos con ADN (en solución e inmovilizado) y se desarrollarán biosensores que permitan su cuantificación. Se construirán biosensores enzimáticos para la cuantificación de bioanalitos, especialmente glucosa, fenoles y catecoles, y sensores electroquímicos para la determinación de neurotransmisores, ácido úrico y ácido ascórbico. Se diseñarán nuevos aptasensores electroquímicos para la cuantificación de biomarcadores, comenzando por lisozima y trombina y continuando con otros de interés regional/nacional.Se emplearán las siguientes técnicas: voltamperometrías cíclica (CV), de pulso diferencial (DPV) y de onda cuadrada (SWV); "stripping" potenciométrico a corriente constante (PSA); elipsometría; microbalanza de cristal de cuarzo con cálculo de pérdida de energía por disipación (QCM-D); resonancia de plasmón superficial con detección dual (E-SPR); espectroscopía de impedancia electroquímica (EIE); microscopías de barrido electroquímico (SECM), de barrido electrónico (SEM), de transmisión (TEM) y de fuerzas atómicas (AFM); espectrofotometría UV-visible; espectroscopías IR, Raman, de masas, RMN.Se espera que la inclusión de los CNT y/o de las NP metálicas y/o de los nanoalambres en los diferentes electrodos permita una mejor transferencia de carga de diversos analitos y por ende una detección más sensible y selectiva de bioanalitos empleando enzimas, ADN y aptámeros como elementos de biorreconocimiento. Se espera una mayor eficiencia en los aptasensores respecto de los inmunosensores, lo que permitirá la determinacion selectiva de diversos biomarcadores. La modificación de electrodos con nanoestructuras posibilitará la detección altamente sensible y selectiva del evento de hibridación. La respuesta obtenida luego de la interacción de genotóxicos con ADN permitirá un mejor conocimiento de la asociación establecida, de la cinética y de las constantes termodinámicas. Los neurotransmisores podrán ser determinados a niveles nanomolares aún en muestras complejas.

Polímeros a partir de fuentes renovables. Polymers from renewable resources.

Las poliolefinas (polietileno y polipropileno) y el poliestireno se obtienen por polimerización de monómeros derivados del petróleo. La utilización creciente del petróleo incrementa la emisión a la atmósfera de gases que provocan el recalentamiento global. Por otra parte, la escasez de reservas de petróleo provocó en los últimos años un incremento en el precio del crudo y en el de sus derivados. Por tal motivo, esto pone de manifiesto el interés actual por reemplazar al petróleo y al gas natural por materias primas renovables. El ácido poliláctico (APL) y el poli(3-hidroxibutirato) (PHB) son poliésteres de origen bacteriano que poseen propiedades termoplásticas y elastómeras similares a los plásticos derivados del petróleo, pero son biodegradables y se producen a partir de sustratos renovables. Sin embargo, su costo es aún demasiado elevado. Una de las estrategias utilizadas para abaratarlos es la utilización de sustratos de costo bajo o nulo (residuos agroindustriales y permeado de lactosuero). Por lo tanto, el principal objetivo de este proyecto es sintetizar plásticos biodegradables alternativos a los polímeros sintéticos ya existentes a partir de recursos renovables de bajo costo. En particular, se pretende utilizar permeado de lactosuero proveniente de distintas industrias de San Francisco y su zona. San Francisco se encuentra estratégicamente ubicada dentro de una de las principales cuencas lecheras de este país. Los trabajos a desarrollar serán teórico y experimentales, y se relacionan con la síntesis y caracterización de los productos y el modelado de dichos procesos. Desde el punto de vista experimental se pretende: a) sintetizar el bio-monómero (ácico láctico) y los polímeros (APL y PHB) ; b) caracterizar el bio-monómero y los polímeros mediante el empleo de técnicas volumétricas, espectroscópicas y cromatográficas; y c) medir propiedades finales (fundamentalmente mecánicas) y establecer las relaciones estructuras-propiedades. Desde el punto de vista teórico se modelarán los procesos de síntesis (bio-monómero) y polimerización. Los modelos se utilizarán para la predicción de características físicas y moleculares de los productos finales, para la simulación y la optimización de procesos, y para complementar técnicas de caracterización. Este proyecto se enmarca dentro de la Química Verde o Sustentable con lo cual se pretende incentivar el desarrollo de productos más saludables y químicamente adaptados al medio ambiente que reemplacen a los polímeros sintéticos existentes sin la pérdida de sus propiedades finales. De este modo, se espera que los resultados contribuyan al conocimiento científico y tecnológico y resulten de interés regional e internacional.

effect of the extracellular environment on the composition and function of synapses

Otto-von-Guericke-Universität magdeburg, Fakultät für Naturwissenschaften, Dissertation, 2015

The fourth extracellular loop of the alpha subunit of Na,K-ATPase. Functional evidence for close proximity with the second extracellular loop.

Na,K-ATPase is the main active transport system that maintains the large gradients of Na(+) and K(+) across the plasma membrane of animal cells. The crystal structure of a K(+)-occluding conformation of this protein has been recently published, but the movements of its different domains allowing for the cation pumping mechanism are not yet known. The structure of many more conformations is known for the related calcium ATPase SERCA, but the reliability of homology modeling is poor for several domains with low sequence identity, in particular the extracellular loops. To better define the structure of the large fourth extracellular loop between the seventh and eighth transmembrane segments of the alpha subunit, we have studied the formation of a disulfide bond between pairs of cysteine residues introduced by site-directed mutagenesis in the second and the fourth extracellular loop. We found a specific pair of cysteine positions (Y308C and D884C) for which extracellular treatment with an oxidizing agent inhibited the Na,K pump function, which could be rapidly restored by a reducing agent. The formation of the disulfide bond occurred preferentially under the E2-P conformation of Na,K-ATPase, in the absence of extracellular cations. Using recently published crystal structure and a distance constraint reproducing the existence of disulfide bond, we performed an extensive conformational space search using simulated annealing and showed that the Tyr(308) and Asp(884) residues can be in close proximity, and simultaneously, the SYGQ motif of the fourth extracellular loop, known to interact with the extracellular domain of the beta subunit, can be exposed to the exterior of the protein and can easily interact with the beta subunit.

D-amphetamine fails to increase extracellular dopamine levels in mice lacking alpha 1b-adrenergic receptors: relationship between functional and nonfunctional dopamine release.

It was found recently that locomotor and rewarding effects of psychostimulants and opiates were dramatically decreased or suppressed in mice lacking alpha1b-adrenergic receptors [alpha1b-adrenergic receptor knock-outs (alpha1bAR-KOs)] (Drouin et al., 2002). Here we show that blunted locomotor responses induced by 3 and 6 mg/kg d-amphetamine in alpha1bAR-KO mice [-84 and -74%, respectively, when compared with wild-type (WT) mice] are correlated with an absence of d-amphetamine-induced increase in extracellular dopamine (DA) levels in the nucleus accumbens of alpha1bAR-KO mice. Moreover, basal extracellular DA levels in the nucleus accumbens are lower in alpha1bAR-KO than in WT littermates (-28%; p < 0.001). In rats however, prazosin, an alpha1-adrenergic antagonist, decreases d-amphetamine-induced locomotor hyperactivity without affecting extracellular DA levels in the nucleus accumbens, a finding related to the presence of an important nonfunctional release of DA (Darracq et al., 1998). We show here that local d-amphetamine releases nonfunctional DA with the same affinity but a more than threefold lower amplitude in C57BL6/J mice than in Sprague Dawley rats. Altogether, this suggests that a trans-synaptic mechanism amplifies functional DA into nonfunctional DA release. Our data confirm the presence of a powerful coupling between noradrenergic and dopaminergic neurons through the stimulation of alpha1b-adrenergic receptors and indicate that nonfunctional DA release is critical in the interpretation of changes in extracellular DA levels. These results suggest that alpha1b-adrenergic receptors may be important therapeutic pharmacological targets not only in addiction but also in psychosis because most neuroleptics possess anti-alpha1-adrenergic properties.

Extracellular matrix components in peripheral nerve repair: how to affect neural cellular response and nerve regeneration?

Peripheral nerve injury is a serious problem affecting significantly patients' life. Autografts are the "gold standard" used to repair the injury gap, however, only 50% of patients fully recover from the trauma. Artificial conduits are a valid alternative to repairing peripheral nerve. They aim at confining the nerve environment throughout the regeneration process, and providing guidance to axon outgrowth. Biocompatible materials have been carefully designed to reduce inflammation and scar tissue formation, but modifications of the inner lumen are still required in order to optimise the scaffolds. Biomicking the native neural tissue with extracellular matrix fillers or coatings showed great promises in repairing longer gaps and extending cell survival. In addition, extracellular matrix molecules provide a platform to further bind growth factors that can be released in the system over time. Alternatively, conduit fillers can be used for cell transplantation at the injury site, reducing the lag time required for endogenous Schwann cells to proliferate and take part in the regeneration process. This review provides an overview on the importance of extracellular matrix molecules in peripheral nerve repair.