Ikke-giftigt undervandsklæbemiddel kan bringe ny kirurgisk lim

En ikke-toksisk lim, der er modelleret efter klæbende proteiner produceret af muslinger og andre væsner, har vist sig at udføre kommercielt tilgængelige produkter, peger mod potentielle kirurgiske lime til at erstatte suturer og hæfteklammer.

Mere end 230 millioner større operationer udføres på verdensplan hvert år, og over 12 millioner traumatiske sår behandles alene i USA. Omkring 60 procent af disse sår lukkes ved hjælp af mekaniske metoder såsom suturer og hæfteklammer.

"Suturer og hæfteklammer har flere ulemper i forhold til klæbemidler, herunder patientens ubehag, højere risiko for infektion og den iboende skade på omgivende sundt væv, " sagde Julie Liu, en lektor i kemiteknik og biomedicinsk teknik ved Purdue University.

De fleste klæbemidler fungerer ikke godt i fugtige miljøer, fordi vand forstyrrer vedhæftningsprocessen. Selvom det er udfordrende at udvikle klæbemidler, der løser dette problem, lim til medicinske anvendelser skal opfylde et yderligere krav:de skal være ugiftige og biokompatible, såvel.

"Nuværende biomedicinske klæbende teknologier opfylder ikke disse behov, "sagde hun." Vi designede et bioinspireret proteinsystem, der viser løfte om at opnå biokompatibel undervandsadhæsion kombineret med miljøvenlig adfærd, der er 'smart, ' hvilket betyder, at den kan indstilles til at passe til en specifik applikation."

I bestræbelserne på at udvikle bedre alternativer, forskere er blevet inspireret af naturlige lim. Specifikt, undervandsanvendelse og limning er påvist med materialer baseret på organismer som sandslotteorme og muslinger. Begge producerer proteiner indeholdende aminosyren 3, 4-dihydroxyphenylalanin, eller DOPA, der har vist sig at give vedhæftningsstyrke, selv i våde omgivelser.

Forskningsresultater blev beskrevet detaljeret i et forskningspapir offentliggjort i april i Biomaterialer . Papiret blev forfattet af kandidatstuderende M. Jane Brennan; bachelor Bridget F. Kilbride; Jonathan Wilker, en professor i kemi og materialeteknik; og Liu.

Nuværende FDA-godkendte klæbemidler og tætningsmidler står over for flere udfordringer:mange udviser giftige egenskaber, nogle kan kun påføres topisk, fordi de nedbrydes til kræftfremkaldende produkter; nogle stammer fra blodkilder og har potentiale for blodbåren patogenoverførsel, såsom hepatitis og HIV; og andre forårsager betændelse og irritation.

"Vigtigere, imidlertid, er, at de fleste af disse klæbemidler ikke har tilstrækkelig vedhæftning i et alt for vådt miljø og ikke er godkendt til anvendelse i sårlukning, " sagde Liu. "Faktisk, mange af disse materialer anbefaler specifikt at tørre applikationsområdet så meget som muligt. "

Purdue -forskerne skabte et nyt klæbemateriale kaldet ELY16, et "elastinlignende polypeptid, "eller ELP. Den indeholder elastin, et meget elastisk protein, der findes i bindevæv, og tyrosin, en aminosyre. ELY16 blev modificeret ved tilsætning af enzymet tyrosinase, omdanner tyrosin til det klæbende DOPA-molekyle og danner mELY16.

Både ELY16 og mELY16 er ikke toksiske for celler og fungerer godt under tørre forhold. Modifikation med DOPA øger vedhæftningsstyrken under meget fugtige forhold. I øvrigt, den modificerede version er "indstillelig" til varierende miljøforhold og kan være konstrueret til at matche egenskaberne for forskellige vævstyper.

"Så vidt vi ved, mELY16 giver de stærkeste bindinger af ethvert konstrueret protein, når det bruges helt under vandet, og dets høje udbytte gør det mere levedygtigt til kommerciel anvendelse sammenlignet med naturlige klæbende proteiner, " sagde hun. "Så det viser et stort potentiale at være en ny smart undervandsklæber."

Klæbemidlet har også enestående biokompatibilitet på grund af brugen af ​​human elastin.

"Vores mål var at efterligne den type adhæsion, som muslingeklæbende proteiner har, og meget andet arbejde har fokuseret på, at DOPA -molekylet er afgørende for denne adhæsion, "sagde Liu." Vi fandt ud af, at når de klæbende materialer blev udsat for store mængder fugt, proteiner indeholdende DOPA havde en meget højere adhæsionsstyrke sammenlignet med uomdannede proteiner, der kun indeholdt tyrosin. Så, DOPA gav meget stærkere vedhæftning i våde miljøer. "

Test af klæbemidlet i et meget fugtigt miljø er vigtigt for at bestemme, hvor godt klæbemidlet vil fungere og hærde i nærvær af fugt i biomedicinske applikationer.

Forskningen viste, at mELY16 klarede sig bedre end kommercielle klæbemidler, herunder en FDA-godkendt fugemasse.

"Sammenlignet med dette fugemasse, vores proteiner med DOPA har væsentligt højere vedhæftningsstyrker, "Sagde Liu.

Elastinlignende polypeptider har den medfødte evne til at "coacervere, " hvilket får dem til at adskilles i "to flydende faser, "den ene tættere og mere proteinrig end den anden, efterligner vedhæftningsmekanismen, der bruges af sandslotteorme.

Elastinen giver denne coacervationsegenskab, hvilket gør det muligt på en nem måde at påføre limen under vand. Det er også et fleksibelt naturligt forekommende protein, der findes i væv, og det er blevet vist, at elastinlignende polypeptider kan "tværbindes, " eller styrket til at ændre stivhed for at efterligne blødt væv.

"Dette elastin-lignende polypeptid kan produceres i høje udbytter fra Escherichia coli og kan 'coacervere' som reaktion på miljøfaktorer såsom temperatur, pH, og saltholdighed, "sagde hun." Fordi proteinet vil coacervere i et varmt flydende bad, dannes en tæt proteinrig fase. Denne proteinrige fase indeholder vores klæbemateriale i koncentreret form, og fordi det er tættere end vand, det spredes ikke."

Forskerne testede polymeren med museceller kaldet NIH/3T3 fibroblaster. Disse celler bruges ofte i forskning til at vurdere toksicitet ved at undersøge, hvor godt celler overlever og vokser, når de udsættes for nye materialer. For at teste for biokompatibilitet, forskerne målte levedygtigheden af ​​NIH/3T3-fibroblaster dyrket i 48 timer direkte på et lag af ELY16, mELY16, og en kontrol. I alle grupper, levedygtigheden var større end 95 procent.

Fremtidig forskning vil omfatte arbejde med at optimere formuleringen af ​​klæbemidlet og udføre test med naturlige materialer.

"Vi startede vores test med aluminiumsunderlag, fordi det er nemmere at opnå reproducerbare resultater med aluminium, " sagde Liu. "Men hvis vi er interesserede i biomedicinske applikationer, vi skal teste substrater, der ligner mere bløde væv i kroppen, og disse substrater er mere udfordrende at arbejde med. "