Teknisk tilpassede bioklæbemidler til personlig medicinsk reparation

Traditionelle medicinske klæbemidler, der bruges i kirurgiske applikationer, har ofte begrænset bioabsorberbarhed, høj toksicitet og mangel på tilpasningsmuligheder, hvilket fører til suboptimale kirurgiske resultater. Nylige fremskridt inden for syntetisk biologi tilbyder et lovende alternativ - skræddersyede biokompatible og bionedbrydelige klæbemidler designet til specifikke interne biomedicinske applikationer, såsom vævsreparation og til kirurgisk lim.

Forskere, der arbejder med Fuzhong Zhang, professor i energi, miljø og kemiteknik ved McKelvey School of Engineering ved Washington University i St. Louis, tackler denne udfordring med en ny klasse af hydrogeler, der udelukkende er konstrueret af proteiner.

Zhangs samarbejdspartnere omfatter Marcus Foston, lektor i energi, miljø og kemiteknik; Guy Genin, Harold og Kathleen Faught professor i maskinteknik; og Mohamed A. Zayed, lektor i kirurgi og radiologi. Deres programmerbare design tillader præcis kontrol over mekaniske og klæbende egenskaber, og adresserer begrænsningerne ved syntetiske biolime. Forskningen blev offentliggjort i ACS Applied Materials &Interfaces .

"Dette arbejde er et af de første til at bevise, at syntetisk biologi ikke kun kan bruges til at producere materialer, men også til at forstå materialesekvens-struktur-funktion-forhold," sagde Juya Jeon, en kandidatstuderende i Zhangs laboratorium og førsteforfatter af undersøgelsen .

"Vores hydrogeler er lavet af kunstigt designede proteiner, der aldrig er blevet skabt før. Disse unikke proteiner giver vores hydrogeler en kombination af fordelagtige egenskaber, herunder fremragende mekaniske og undervandsadhæsive egenskaber, samtidig med at de er bioabsorberbare og unikt tilpasset til vævsreparation/tekniske applikationer. "

Holdets nye materiale bygger på tidligere undersøgelser fra Zhangs laboratorium om undervandsklæbemidler inspireret af vandmuslinger og deres klæbrige muslingefodsproteiner (Mfp). Jeon forbedrede det tidligere arbejde ved omhyggeligt at kombinere silke-amyloid-peptider og Mfp til en silke-amyloid-musling-fodprotein (SAM) hydrogel.

Som en slags molekylær kok justerede Jeon proportionerne af de to hovedingredienser for at opnå SAM-hydrogeler, der kan finjusteres til at vise unikke kombinationer af biokompatibilitet, bio-absorberbarhed, styrke, strækbarhed og undervandsadhæsion til biologiske overflader.

Jeon udforskede også de indviklede forhold mellem proteinsekvens og hydrogelegenskaber, som vil være afgørende for at designe SAM-hydrogeler med skræddersyede egenskaber til personaliserede medicinske reparationsapplikationer. Ved at fremstille SAM-hydrogeler ved hjælp af forskellige kombinationer af silke-amyloid og Mfps afslørede Jeon og Zhang med succes komplekse forhold mellem materialestruktur og egenskaber.

De fandt ud af, at en stigning i silke-amyloid-gentagelser signifikant forbedrede kohæsionsstyrke og sejhed, mens forlængelse af Mfp-længden øgede overfladeadhæsion, men reducerede den samlede styrke. En variant af særlig interesse viste exceptionel styrke, belastningsmodstand og undervandsadhæsivitet, når den blev testet på en præklinisk model.

"Relationerne sekvens-struktur-egenskaber afdækket i denne undersøgelse giver uvurderlig indsigt til at guide det fremtidige design af proteinklæbemidler med justerbare egenskaber, hvilket baner vejen for tilpassede klæbemidler skræddersyet til specifikke applikationer," sagde Zhang.

"Denne undersøgelse markerer et betydeligt spring fremad i jagten på sikrere, mere effektive kirurgiske klæbemidler, der åbner døre til en ny æra af personlig bio-lim til forskellige medicinske behov. Det illustrerer også, hvordan syntetisk biologi kan bruges til at belyse komplekse molekylære forhold og fremstille avancerede biomaterialer."

Flere oplysninger: Juya Jeon et al., gensplejsede proteinbaserede bioadhæsiver med programmerbare materialeegenskaber, ACS-anvendte materialer og grænseflader (2023). DOI:10.1021/acsami.3c12919

Journaloplysninger: ACS-anvendte materialer og grænseflader

Leveret af Washington University i St. Louis