Traditionele medische lijmen die in chirurgische toepassingen worden gebruikt, hebben vaak een beperkte bio-absorbeerbaarheid, hoge toxiciteit en een gebrek aan aanpasbaarheid, wat leidt tot suboptimale chirurgische resultaten. Recente ontwikkelingen in de synthetische biologie bieden een veelbelovend alternatief:op maat gemaakte biocompatibele en biologisch afbreekbare lijmen die zijn ontworpen voor specifieke interne biomedische toepassingen, zoals bij weefselherstel en voor chirurgische lijmen.

Onderzoekers die samenwerken met Fuzhong Zhang, hoogleraar energie, milieu- en chemische technologie aan de McKelvey School of Engineering aan de Washington University in St. Louis, gaan deze uitdaging aan met een nieuwe klasse hydrogels die volledig uit eiwitten zijn opgebouwd.

Tot de medewerkers van Zhang behoren Marcus Foston, universitair hoofddocent energie, milieu- en chemische technologie; Guy Genin, de Harold en Kathleen Faught hoogleraar werktuigbouwkunde; en Mohamed A. Zayed, universitair hoofddocent chirurgie en radiologie. Hun programmeerbare ontwerp maakt nauwkeurige controle over mechanische en adhesieve eigenschappen mogelijk, waardoor de beperkingen van synthetische biolijmen worden aangepakt. Het onderzoek is gepubliceerd in ACS Applied Materials &Interfaces .

"Dit werk is een van de eerste die bewijst dat synthetische biologie niet alleen kan worden gebruikt om materialen te produceren, maar ook om de relaties tussen materiaalreeksen, structuur en functies te begrijpen", zegt Juya Jeon, een afgestudeerde student in het laboratorium van Zhang en eerste auteur van de studie. .

"Onze hydrogels zijn gemaakt van kunstmatig ontworpen eiwitten die nog nooit eerder zijn gemaakt. Deze unieke eiwitten geven onze hydrogels een combinatie van voordelige eigenschappen, waaronder uitstekende mechanische en onderwateradhesieve eigenschappen, terwijl ze bio-absorbeerbaar zijn en op unieke wijze geschikt zijn voor weefselreparatie/technische toepassingen. "

Het nieuwe materiaal van het team bouwt voort op eerdere onderzoeken uit het laboratorium van Zhang naar onderwaterkleefstoffen geïnspireerd op watermosselen en hun kleverige mosselvoeteiwitten (Mfp). Jeon verbeterde het eerdere werk door zijde-amyloïde peptiden en Mfp zorgvuldig te combineren tot een zijde-amyloïde-mosselvoetproteïne (SAM) hydrogel.

Jeon trad op als een soort moleculaire chef en paste de verhoudingen van de twee hoofdingrediënten aan om SAM-hydrogels te verkrijgen die nauwkeurig kunnen worden afgestemd om unieke combinaties van biocompatibiliteit, bio-absorbeerbaarheid, sterkte, rekbaarheid en onderwateradhesie aan biologische oppervlakken te vertonen.

Jeon onderzocht ook de ingewikkelde relaties tussen eiwitsequentie en hydrogeleigenschappen, die cruciaal zullen zijn voor het ontwerpen van SAM-hydrogels met op maat gemaakte kenmerken voor gepersonaliseerde medische reparatietoepassingen. Door SAM-hydrogels te vervaardigen met behulp van verschillende combinaties van zijde-amyloïde en Mfps, hebben Jeon en Zhang met succes complexe relaties tussen materiaalstructuur en eigenschappen onthuld.

Ze ontdekten dat een toename van zijde-amyloïde herhalingen de cohesiesterkte en taaiheid aanzienlijk verbeterde, terwijl het verlengen van de Mfp-lengte de oppervlakteadhesie verhoogde maar de algehele sterkte verminderde. Eén variant van bijzonder belang toonde uitzonderlijke sterkte, rekweerstand en adhesiviteit onder water bij testen op een preklinisch model.

"De relaties tussen sequentie, structuur en eigenschap die in dit onderzoek aan het licht zijn gekomen, bieden inzichten van onschatbare waarde om het toekomstige ontwerp van eiwitkleefstoffen met afstembare eigenschappen te begeleiden, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor op maat gemaakte lijmen die zijn afgestemd op specifieke toepassingen", aldus Zhang.

“Deze studie markeert een aanzienlijke sprong voorwaarts in het streven naar veiligere, effectievere chirurgische lijmen, en opent deuren naar een nieuw tijdperk van gepersonaliseerde biolijmen voor diverse medische behoeften. Het illustreert ook hoe synthetische biologie kan worden gebruikt om complexe moleculaire relaties te belichten en geavanceerde biomaterialen vervaardigen."

Meer informatie: Juya Jeon et al., Genetisch gemanipuleerde, op eiwitten gebaseerde bioadhesieven met programmeerbare materiaaleigenschappen, Toegepaste ACS-materialen en interfaces (2023). DOI:10.1021/acsami.3c12919

Journaalinformatie: Toegepaste materialen en interfaces van ACS

Aangeboden door de Washington Universiteit in St. Louis