Klæbende, når den er våd:Stærk klæbemiddel til sårheling

Enhver, der nogensinde har prøvet at tage et plaster på, når deres hud er fugtig, ved, at det kan være frustrerende. Våd hud er ikke den eneste udfordring for medicinske klæbemidler - den menneskelige krop er fuld af blod, serum, og andre væsker, der komplicerer reparationen af ​​talrige indre skader. Mange af de klæbende produkter, der bruges i dag, er giftige for celler, ufleksible, når de tørrer, og binder ikke stærkt til biologisk væv. Et team af forskere fra Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering og John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ved Harvard University har skabt en superstærk "hård klæbestof", der er biokompatibel og binder til væv med en styrke sammenlignelig med kroppens egen elastiske brusk, selv når de er våde.

"Nøgletræk ved vores materiale er kombinationen af ​​en meget stærk klæbekraft og evnen til at overføre og fjerne stress, som historisk ikke har været integreret i et enkelt klæbemiddel, " siger den tilsvarende forfatter Dave Mooney, Ph.D., som er et stiftende Core Faculty-medlem ved Wyss Institute og Robert P. Pinkas Family Professor of Bioengineering ved SEAS.

Forskningen er rapporteret i denne uges udgave af Videnskab .

Da første forfatter Jianyu Li, Ph.D. (tidligere postdoc ved Wyss Institute og nu adjunkt ved McGill University) begyndte at tænke på, hvordan man kunne forbedre medicinske klæbemidler, han fandt en løsning et usandsynligt sted:en snegl. Den mørke Arion (Arion subfuscus), almindelig i Europa og dele af USA, udskiller en særlig slags slim, når den er truet, som klæber det på plads, hvilket gør det svært for et rovdyr at lirke det væk fra overfladen. Denne lim blev tidligere bestemt til at være sammensat af en sej matrix krydret med positivt ladede proteiner, hvilket inspirerede Li og hans kolleger til at skabe en dobbeltlagshydrogel bestående af en alginat-polyacrylamidmatrix, der understøtter et klæbende lag, der har positivt ladede polymerer, der stikker ud fra overfladen.

Polymererne binder til biologiske væv via tre mekanismer - elektrostatisk tiltrækning til negativt ladede celleoverflader, kovalente bindinger mellem naboatomer, og fysisk indtrængning - hvilket gør klæbemidlet ekstremt stærkt. Men matrixlaget er lige så vigtigt, siger Li:"De fleste tidligere materialedesigns har kun fokuseret på grænsefladen mellem vævet og klæbemidlet. Vores klæbemiddel er i stand til at sprede energi gennem dets matrixlag, hvilket gør det muligt for det at deformere meget mere, før det går i stykker." Teamets design til matrixlaget inkluderer calciumioner, der er bundet til alginathydrogelen via ionbindinger. Når der påføres stress på klæbemidlet, disse "opofrende" ionbindinger brydes først, lader matrixen absorbere en stor mængde energi, før dens struktur bliver kompromitteret. I eksperimentelle forsøg, mere end tre gange energien var nødvendig for at forstyrre den seje lims vedhæftning sammenlignet med andre medicinske klæbemidler og, da den gik i stykker, hvad der fejlede var selve hydrogelen, ikke bindingen mellem klæbemidlet og vævet, demonstrerer et hidtil uset niveau af samtidig høj vedhæftningsstyrke og matrix sejhed.

Forskerne testede deres klæbemiddel på en række af både tørt og vådt svinevæv, inklusive hud, brusk, hjerte, pulsåre, og lever, og fandt ud af, at det bandt til dem alle med væsentlig større styrke end andre medicinske klæbemidler. Det hårde klæbemiddel bevarede også sin stabilitet og vedhæftning, når det blev implanteret i rotter i to uger, eller når det bruges til at tætne et hul i et grisehjerte, der mekanisk blev pustet op og tømt for luft og derefter udsat for titusindvis af strækcyklusser. Derudover det forårsagede ingen vævsskade eller adhæsioner til omgivende væv, når det blev påført en leverblødning hos mus - bivirkninger, der blev observeret med både superlim og et kommercielt trombinbaseret klæbemiddel.

Et sådant højtydende materiale har adskillige potentielle anvendelser inden for det medicinske område, enten som et plaster, der kan skæres til i ønskede størrelser og påføres vævsoverflader eller som en injicerbar opløsning til dybere skader. Det kan også bruges til at fastgøre medicinsk udstyr til deres målstrukturer, såsom en aktuator til at understøtte hjertefunktionen. "Denne familie af hårde klæbemidler har en bred vifte af anvendelser, " siger medforfatter Adam Celiz, Ph.D., som nu er lektor ved Institut for Bioteknik, Imperial College London. "Vi kan lave disse klæbemidler af biologisk nedbrydelige materialer, så de nedbrydes, når de har tjent deres formål. Vi kunne endda kombinere denne teknologi med blød robotteknologi for at lave klæbrige robotter, eller med lægemidler for at lave et nyt vehikel til lægemiddellevering."

"Naturen har ofte allerede fundet elegante løsninger på almindelige problemer; det er et spørgsmål om at vide, hvor man skal kigge og genkende en god idé, når man ser en, " siger Wyss stiftende direktør Donald Ingber, som også er Judah Folkman-professor i vaskulær biologi ved Harvard Medical School og Vascular Biology Program på Boston Children's Hospital, samt professor i bioingeniør ved Harvard's School of Engineering and Applied Sciences. "Vi er spændte på at se, hvordan denne teknologi, inspireret af en ydmyg snegl, kan udvikle sig til en ny teknologi til kirurgisk reparation og sårheling."