Iedereen die ooit heeft geprobeerd een pleister op te doen als hun huid vochtig is, weet dat dit frustrerend kan zijn. Een natte huid is niet de enige uitdaging voor medische lijmen - het menselijk lichaam zit vol bloed, serum, en andere vloeistoffen die het herstel van talrijke inwendige verwondingen bemoeilijken. Veel van de tegenwoordig gebruikte zelfklevende producten zijn giftig voor cellen, onbuigzaam als ze drogen, en binden niet sterk aan biologisch weefsel. Een team van onderzoekers van het Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering en de John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) aan de Harvard University heeft een supersterke "taaie kleefstof" gecreëerd die biocompatibel is en bindt aan weefsels met een sterke vergelijkbaar met het lichaamseigen veerkrachtige kraakbeen, ook als ze nat zijn.

"Het belangrijkste kenmerk van ons materiaal is de combinatie van een zeer sterke houdkracht en het vermogen om stress over te dragen en af ​​​​te voeren, die van oudsher niet zijn geïntegreerd in een enkele lijm, " zegt corresponderende auteur Dave Mooney, doctoraat, die een van de oprichters is van de kernfaculteit van het Wyss Institute en de Robert P. Pinkas Family Professor of Bioengineering bij SEAS.

Het onderzoek wordt gerapporteerd in het nummer van deze week van Wetenschap .

Toen eerste auteur Jianyu Li, doctoraat (voormalig postdoctoraal onderzoeker aan het Wyss Institute en nu een assistent-professor aan de McGill University) begon na te denken over het verbeteren van medische kleefstoffen, hij vond een oplossing op een onwaarschijnlijke plaats:een slak. De schemerige Arion (Arion subfuscus), gebruikelijk in Europa en delen van de Verenigde Staten, scheidt een speciaal soort slijm af wanneer het wordt bedreigd dat het op zijn plaats lijmt, waardoor het moeilijk wordt voor een roofdier om het van het oppervlak los te wrikken. Eerder werd vastgesteld dat deze lijm bestaat uit een taaie matrix die doorspekt is met positief geladen eiwitten, wat Li en zijn collega's inspireerde om een ​​dubbellaagse hydrogel te maken die bestaat uit een alginaat-polyacrylamidematrix die een hechtlaag ondersteunt met positief geladen polymeren die uit het oppervlak steken.

De polymeren binden zich aan biologische weefsels via drie mechanismen:elektrostatische aantrekking tot negatief geladen celoppervlakken, covalente bindingen tussen naburige atomen, en fysieke interpenetratie - waardoor de lijm extreem sterk is. Maar de matrixlaag is even belangrijk, zegt Li:"De meeste eerdere materiaalontwerpen waren alleen gericht op het grensvlak tussen het weefsel en de lijm. Onze lijm is in staat om energie door zijn matrixlaag te dissiperen, waardoor het veel meer kan vervormen voordat het breekt." Het ontwerp van het team voor de matrixlaag omvat calciumionen die via ionische bindingen aan de alginaathydrogel zijn gebonden. Wanneer er spanning op de lijm wordt uitgeoefend, die "opofferende" ionische bindingen breken eerst, waardoor de matrix een grote hoeveelheid energie kan absorberen voordat de structuur in gevaar komt. Bij experimentele proeven, er was meer dan drie keer zoveel energie nodig om de hechting van de taaie lijm te verstoren in vergelijking met andere lijmen van medische kwaliteit en, toen het brak, wat faalde was de hydrogel zelf, niet de binding tussen de lijm en het weefsel, demonstreert een ongekend niveau van gelijktijdige hoge adhesiesterkte en matrixtaaiheid.

De onderzoekers testten hun kleefstof op een verscheidenheid aan zowel droge als natte varkensweefsels, waaronder huid, kraakbeen, hart, slagader, en lever, en ontdekte dat het aan al deze kleefstoffen een aanzienlijk grotere sterkte vasthield dan andere medische kleefstoffen. De taaie lijm behield ook zijn stabiliteit en hechting wanneer hij gedurende twee weken in ratten werd geïmplanteerd, of wanneer gebruikt om een ​​gat in een varkenshart af te dichten dat mechanisch werd opgeblazen en leeggelopen en vervolgens werd onderworpen aan tienduizenden cycli van uitrekken. Aanvullend, het veroorzaakte geen weefselbeschadiging of verklevingen aan omliggende weefsels wanneer het werd toegepast op een leverbloeding bij muizen - bijwerkingen die werden waargenomen met zowel superlijm als een commercieel op trombine gebaseerd hechtmiddel.

Een dergelijk hoogwaardig materiaal heeft tal van potentiële toepassingen op medisch gebied, hetzij als een pleister die op de gewenste grootte kan worden gesneden en op weefseloppervlakken kan worden aangebracht, hetzij als een injecteerbare oplossing voor diepere verwondingen. Het kan ook worden gebruikt om medische hulpmiddelen aan hun doelstructuren te bevestigen, zoals een actuator om de hartfunctie te ondersteunen. "Deze familie van taaie lijmen heeft een breed scala aan toepassingen, " zegt co-auteur Adam Celiz, doctoraat, die nu docent is bij de afdeling Bioengineering, Imperial College Londen. "We kunnen deze lijmen maken van biologisch afbreekbare materialen, dus ontbinden ze zodra ze hun doel hebben bereikt. We zouden deze technologie zelfs kunnen combineren met zachte robotica om kleverige robots te maken, of met geneesmiddelen om een ​​nieuw vehikel voor medicijnafgifte te maken."

"De natuur heeft vaak al elegante oplossingen gevonden voor veelvoorkomende problemen; het is een kwestie van weten waar je moet zoeken en een goed idee herkennen als je er een ziet, " zegt Wyss Founding Director Donald Ingber, die ook de Judah Folkman Professor of Vascular Biology aan de Harvard Medical School en het Vascular Biology Program in het Boston Children's Hospital is, evenals een professor in bio-engineering aan de Harvard School of Engineering and Applied Sciences. "We zijn verheugd om te zien hoe deze technologie, geïnspireerd door een nederige naaktslak, zou kunnen uitgroeien tot een nieuwe technologie voor chirurgisch herstel en wondgenezing."