Er is gevonden dat een niet-toxische lijm, gemodelleerd naar zelfklevende eiwitten geproduceerd door mosselen en andere wezens, beter presteert dan in de handel verkrijgbare producten. wijzend op mogelijke chirurgische lijmen om hechtingen en nietjes te vervangen.

Jaarlijks worden wereldwijd meer dan 230 miljoen grote operaties uitgevoerd, en alleen al in de Verenigde Staten worden meer dan 12 miljoen traumatische wonden behandeld. Ongeveer 60 procent van deze wonden wordt gesloten met mechanische methoden zoals hechtingen en nietjes.

"Hechtingen en nietjes hebben verschillende nadelen ten opzichte van lijmen, inclusief ongemak voor de patiënt, hoger risico op infectie en de inherente schade aan omringend gezond weefsel, " zei Julie Liu, een universitair hoofddocent chemische technologie en biomedische technologie aan de Purdue University.

De meeste lijmen werken niet goed in vochtige omgevingen omdat water het hechtingsproces verstoort. Hoewel het een uitdaging is om lijmen te ontwikkelen die dit probleem oplossen, lijmen voor medische toepassingen moeten aan een bijkomende eis voldoen:ze moeten niet-toxisch en biocompatibel zijn, ook.

"De huidige biomedische lijmtechnologieën voldoen niet aan deze behoeften, " zei ze. "We hebben een bio-geïnspireerd eiwitsysteem ontworpen dat veelbelovend is voor het bereiken van biocompatibele onderwateradhesie in combinatie met milieuvriendelijk gedrag dat 'slim' is, ' wat betekent dat het kan worden afgestemd op een specifieke toepassing."

In pogingen om betere alternatieven te ontwikkelen, onderzoekers hebben zich laten inspireren door natuurlijke lijmen. specifiek, toepassing en hechting onder water is aangetoond met materialen op basis van organismen zoals zandkasteelwormen en mosselen. Beide produceren eiwitten die het aminozuur 3 bevatten, 4- dihydroxyfenylalanine, of DOPA, waarvan is aangetoond dat het hechtkracht biedt, zelfs in natte omgevingen.

Onderzoeksresultaten werden gedetailleerd beschreven in een onderzoekspaper dat in april werd gepubliceerd in Biomaterialen . Het papier is geschreven door afgestudeerde student M. Jane Brennan; niet-gegradueerde Bridget F. Kilbride; Jonathan Wilker, een professor in de chemie en materiaalkunde; en Liu.

Huidige FDA-goedgekeurde lijmen en kitten staan ​​voor verschillende uitdagingen:veel vertonen toxische eigenschappen, sommige kunnen alleen plaatselijk worden toegepast omdat ze worden afgebroken tot kankerverwekkende producten; sommige zijn afkomstig uit bloedbronnen en kunnen mogelijk via bloed overgedragen ziekteverwekkers, zoals hepatitis en HIV, overbrengen; en andere veroorzaken ontstekingen en irritatie.

"Belangrijker, echter, is dat de meeste van deze lijmen onvoldoende hechting hebben in een te natte omgeving en niet zijn goedgekeurd voor toepassing bij wondsluiting, " zei Liu. "In feite, veel van deze materialen adviseren specifiek om het toepassingsgebied zoveel mogelijk te drogen."

De Purdue-onderzoekers creëerden een nieuw adhesief materiaal genaamd ELY16, een "elastine-achtig polypeptide, " of ELP. Het bevat elastine, een zeer elastisch eiwit dat wordt aangetroffen in bindweefsel, en tyrosine, een aminozuur. De ELY16 werd gemodificeerd door toevoeging van het enzym tyrosinase, het omzetten van tyrosine in het adhesieve DOPA-molecuul en het vormen van mELY16.

Zowel ELY16 als mELY16 zijn niet giftig voor cellen en werken goed onder droge omstandigheden. Modificatie met DOPA verhoogt de hechtsterkte in zeer vochtige omstandigheden. Bovendien, de gewijzigde versie is "afstembaar" op verschillende omgevingscondities en kan worden ontworpen om te passen bij de eigenschappen van verschillende weefseltypes.

"Voor zover we weten, mELY16 biedt de sterkste bindingen van elk ontwikkeld eiwit wanneer het volledig onder water wordt gebruikt, en zijn hoge opbrengsten maken het meer levensvatbaar voor commerciële toepassing in vergelijking met natuurlijke adhesieve eiwitten, "zei ze. "Dus het toont een groot potentieel om een ​​nieuwe slimme onderwaterlijm te zijn."

De lijm heeft ook een uitstekende biocompatibiliteit dankzij het gebruik van humaan elastine.

"Ons doel was om het type adhesie na te bootsen dat mosselkleefeiwitten hebben, en veel ander werk heeft zich gericht op het DOPA-molecuul als cruciaal voor die adhesie, " zei Liu. "We ontdekten dat wanneer de zelfklevende materialen werden blootgesteld aan grote hoeveelheden vocht, eiwitten die DOPA bevatten, hadden een veel hogere adhesiesterkte in vergelijking met niet-omgezette eiwitten die alleen tyrosine bevatten. Dus, DOPA verleende een veel sterkere hechting in natte omgevingen."

Het testen van de lijm in een zeer vochtige omgeving is belangrijk om te bepalen hoe goed de lijm zal presteren en uitharden in aanwezigheid van vocht in biomedische toepassingen.

Het onderzoek toonde aan dat mELY16 beter presteerde dan commerciële lijmen, waaronder een door de FDA goedgekeurde kit.

"Vergeleken met deze kit, onze eiwitten met DOPA hebben aanzienlijk hogere hechtsterkten, ' zei Liu.

Elastine-achtige polypeptiden hebben het aangeboren vermogen om "coacervaten, " waardoor ze scheiden in "twee vloeibare fasen, " de ene dichter en eiwitrijker dan de andere, het nabootsen van het adhesiemechanisme dat wordt gebruikt door zandkasteelwormen.

De elastine zorgt voor deze coacervatie-eigenschap, waardoor de lijm gemakkelijk onder water kan worden aangebracht. Het is ook een flexibel natuurlijk voorkomend eiwit dat in weefsels wordt aangetroffen, en het is aangetoond dat elastine-achtige polypeptiden kunnen worden "verknoopt, " of versterkt om de stijfheid te veranderen om zachte weefsels na te bootsen.

"Dit elastine-achtige polypeptide kan met hoge opbrengsten worden geproduceerd uit Escherichia coli en kan 'coacerveren' als reactie op omgevingsfactoren zoals temperatuur, pH, en zoutgehalte, "zei ze. "Omdat het eiwit in een warm vloeistofbad zal coacerveren, een dichte eiwitrijke fase vormt. Deze eiwitrijke fase bevat ons hechtmateriaal in geconcentreerde vorm, en omdat het dichter is dan water, het verspreidt zich niet."

De onderzoekers testten het polymeer met muiscellen genaamd NIH/3T3-fibroblasten. Deze cellen worden vaak gebruikt in onderzoek om de toxiciteit te beoordelen door te onderzoeken hoe goed cellen overleven en groeien wanneer ze worden blootgesteld aan nieuwe materialen. Om te testen op biocompatibiliteit, de onderzoekers maten de levensvatbaarheid van NIH/3T3-fibroblasten die gedurende 48 uur rechtstreeks op een laag ELY16 waren gekweekt, mELY16, en een controle. In alle groepen, levensvatbaarheid was meer dan 95 procent.

Toekomstig onderzoek omvat werkzaamheden om de formulering van de lijm te optimaliseren en tests uit te voeren met natuurlijke materialen.

"We zijn onze tests begonnen met aluminiumsubstraten omdat het gemakkelijker is om reproduceerbare resultaten te bereiken met aluminium, " zei Liu. "Echter, als we geïnteresseerd zijn in biomedische toepassingen, we moeten substraten testen die meer lijken op zachte weefsels in het lichaam, en deze substraten zijn uitdagender om mee te werken."