Lipiciul animal inspiră un lipici mai bun

Găsirea unui adeziv grozav este o sarcină lipicioasă – mai ales dacă doriți să se atașeze de ceva la fel de alunecat ca interiorul corpului uman. Chiar și cei mai puternici adezivi artificiali nu funcționează bine pe suprafețe umede, cum ar fi țesuturile și organele. Pentru chirurgii care închid inciziile interne, aceasta este mai mult decât o supărare. Adezivul potrivit ar putea ține rănile împreună la fel de eficient ca cusăturile și capsele, cu mai puține leziuni ale țesutului moale din jur, permițând proceduri chirurgicale mai sigure.

O soluție ar putea fi găsită sub frunzele umede pe podeaua unei păduri, sugerează cercetări recente. Jianyu Li de la Universitatea McGill din Montreal și colegii săi au creat un adeziv chirurgical care imită rețeta chimică de slime gluos pe care o emană melcii când sunt surprinși. Adezivul s-a lipit de o inimă de porc chiar și atunci când suprafața a fost acoperită cu sânge, a raportat echipa în 28 iulie. Ştiinţă. Folosirea adezivului pentru a astupa o gaură în inima de porc a funcționat atât de bine încât inima încă s-a păstrat în lichid după ce a fost umflată și dezumflată de zeci de mii de ori. Li, care a făcut cercetările în timp ce era la Universitatea Harvard, și colegii săi au testat, de asemenea, adezivul la șobolani vii cu lacerații hepatice. A oprit sângerarea șobolanilor, iar animalele nu părea să sufere nicio reacție proastă din cauza adezivului.

Un adeziv inspirat de melci (plastic albastru) lipit de suprafața slim a inimii de porc și întins fără să se rupă sau să se desprindă. J. Li, Adam D. Celiz, David J. Mooney

Adezivul are „proprietăți excelente, excelente”, spune Andrew Smith, biolog la Colegiul Ithaca din New York.

Și melcii nu sunt singura inspirație biologică pentru noi adezivi. Indicii pentru cleiuri mai bune s-au ascuns de mult în locuri umede, ude și de-a dreptul umede. Pentru melci, midii, viermi marini și un grup de alte creaturi, secretarea de substanțe lipicioase care se atașează puternic de suprafețele înmuiate este doar o realitate. De aceea, oamenii de știință studiază structurile acelor substanțe pentru a proiecta adezivi chirurgicali noi și mai buni.

„Există într-adevăr o mare nevoie de a dezvolta noi modalități de etanșare a țesuturilor, de fixare a dispozitivelor pe țesuturi – în special, pentru proceduri minim invazive”, spune Jeff Karp, inginer biomedical la Brigham and Women’s Hospital din Boston. În timp ce lipiciul existent de calitate medicală este excelent la etanșarea tăieturilor de la vârful degetelor, este prea toxic pentru a fi folosit în interiorul corpului. Alte alternative pur și simplu nu sunt suficient de lipicioase pentru a înlocui complet cusăturile. Cu un adeziv mai bun, chirurgii ar putea face și tăieturi care sunt prea mici pentru a fi cusute sau capsate închise. Inciziile mai mici accelerează timpul de vindecare și scad riscul de complicații, spune Karp.

Smith spune că nu este surprins că slime slime ar putea duce la un avans mare. De câțiva ani, el a încercat să înțeleagă cum este melcul Arion subfuscus își construiește excreția. Pentru cercetările sale, Smith împinge ușor melci cu vârful unei spatule metalice pentru a le tresări și culege slime pe măsură ce se eliberează. „Dacă îl iei pe mâini, se va fixa în câteva secunde într-un material extrem de lipicios”, spune el.

Smith și alții au descoperit că goo-ul depășește o provocare majoră cu care se confruntă designerii de adezivi. Pare evident că adezivul ar trebui să fie lipicios. Cu toate acestea, moleculele din lipici trebuie să adere nu doar la lucrurile pe care încercați să le lipiți, ci și unele la altele. Și acea lipiciune nu poate veni în detrimentul flexibilității, în special pentru aplicații medicale. Organele moi, zdrobite se vor zgudui; pielea se va întinde. Fără o oarecare îndoire, adezivul s-ar putea atașa în siguranță de fiecare dintre suprafețele care sunt lipite împreună, dar globul de lipici în sine s-ar putea rupe sau forfecare sub stres.

Slime de apărare a melcilor rezolvă această problemă cu două rețele împletite de molecule, încurcate împreună ca șiruri de lumini de sărbători. O rețea este rigidă, cu legături chimice care se rup ușor, spune Smith. Celălalt este deformabil, întinzându-se substanțial fără a se rupe. Această combinație face substanța în același timp durabilă, flexibilă și lipicioasă.

Adezivul inspirat de melci al lui Li adoptă o abordare similară. Un strat al materialului este un polimer, un tip de material format din molecule lungi construite din multe subunități repetate, ca un șir de margele. Anexele încărcate pozitiv care atârnă de polimeri sunt atrase pe suprafețele țesuturilor umede de aceleași forțe care stau la baza electricității statice. Acest prim strat se împletește într-un alt strat, un gel pe bază de apă. Stratul de gel acționează ca un amortizor de șoc într-o mașină, spune Li. Absorbe energie care altfel ar putea disloca sau rupe adezivul.

În ciuda faptului că este 90% apă, materialul este atât lipicios, cât și dur, spune Li. Faptul că este vorba în mare parte de apă face ca acesta să fie mai probabil să nu fie toxic pentru oameni.

TEST STICK Cercetătorii au pus un adeziv inspirat de structura chimică a slime-ului de melci. Adezivul a rămas ferm atașat chiar și atunci când a fost întins, de exemplu, și a putut să se agațe de suprafața alunecoasă a unei inimi de porc însângerate. J. Li et al/Ştiinţă 2017

Deși adezivul lui Li a fost testat doar în culturi de celule umane și pe animale de laborator, un alt adeziv bio-inspirat și-a făcut loc în testele umane. Se bazează pe lucrările publicate de Karp și colegii săi în 2014 în Medicină translațională a științei. Echipa lui Karp a dezvoltat un lichid vâscos care se solidifică într-un lipici dur, dar elastic atunci când este iluminat de lumină și a demonstrat că lichidul poate sigila găurile în inimi.

„Nimic din ceea ce creăm nu este într-adevăr atât de asemănător cu orice vezi în natură, dar unele dintre idei ne-au oferit perspective critice”, spune Karp. Cercetătorii și-au dat seama, de exemplu, că o mulțime de cleiuri naturale care funcționează în apă au elemente hidrofobe care ajută la îndepărtarea apei pentru o lipire mai bună. Cercetarea i-a determinat pe Karp și colegii să fondeze o companie, Gecko Biomedical, pe care Karp o consiliază acum. Pe 11 septembrie, compania a anunțat finalizarea unui mic studiu clinic al adezivului său: sigilantul a oprit imediat fluxul de sânge după o operație de curățare a arterelor la aproximativ 85% din 22 de participanți. Datorită acestui succes, Gecko Biomedical are acum aprobarea de a comercializa lipiciul în Europa.

Cu toate acestea, adezivii bio-inspirați pot face mai mult decât repararea inciziilor. Russell Stewart, un bioinginer la Universitatea din Utah din Salt Lake City, se folosește de viermii din castele de nisip marine pentru un alt obiectiv: vrea să creeze un agent embolic mai bun – o modalitate de a bloca în mod deliberat fluxul de sânge către anumite țesuturi. Agenții embolici pot reduce fluxul de sânge către o tumoare, de exemplu, sau pot împiedica sângerarea internă. Adesea, aceste materiale sunt lichide care își ating ținta printr-un cateter și apoi se solidifică într-o masă lipicioasă pentru a bloca vasele minuscule. Dar astfel de cleiuri pot fi dificil de controlat – trebuie să se întărească la momentul potrivit, iar opțiunile actuale se bazează adesea pe materiale dure care necesită echipamente speciale și pot provoca dureri pacienților.

Inspirat de viermele castelului de nisip (Phragmatopoma californica), Stewart a proiectat un nou agent embolic – și el crede mai bine. Un vierme de castele de nisip folosește anexe ca degete care ies din față pentru a aranja boabele de nisip în recife tubulare expansive. Se stropește mici cuburi de adeziv lichid din aceste anexe pentru a face boabele să se lipească între ele. Structura acelui adeziv este destul de diferită de slime, a descoperit Stewart. Este o soluție de proteine ​​încărcate opus, puternic atrase unele de altele. Proteinele formează un lichid dens care nu se amestecă cu apa. Un vierme împachetează fiecare ingredient în lipici separat, astfel încât proteinele se combină doar o dată secretate. După amestecare, adezivul se solidifică în aproximativ 30 de secunde.

Mimica lui Stewart începe, de asemenea, ca un lichid care se transformă într-un material dur asemănător spumei în câteva secunde de la lovirea sângelui, a raportat echipa sa în 2016 în Materiale avansate de îngrijire a sănătății. Aceasta înseamnă că materialul poate fi injectat ca lichid și nu se întărește până când nu este la locul potrivit. Testele timpurii au fost promițătoare: spuma a blocat complet arterele rinichilor iepurilor, fără a intra în țesuturi unde nu îi aparținea.

Gama de adezivi biologici este impresionantă, spune Jonathan Wilker, chimist la Universitatea Purdue din West LaFayette, Ind. „Sunt atât de diferiți”, atât în ​​ceea ce privește machiajul chimic, cât și proprietățile funcționale. Această diversitate oferă o paletă largă pentru oamenii de știință care caută lipici pentru aplicații specializate. Și munca lui Wilker adaugă scoici pe listă.

Midiile secretă un adeziv puternic care le ajută să se lipească cu tenacitate de stânci și de corpurile navelor. Secretul lor este o moleculă numită DOPA, spune Wilker. DOPA, sau 3,4-dihidroxifenilalanina, se lipește bine de alte molecule de DOPA și de alte substanțe. Acest lucru îi oferă același echilibru de duritate și lipiciitate care se găsește și în slime de melci. Anumiți aminoacizi găsiți în proteinele midii ar putea ajuta, de asemenea, aderența sub apă. De exemplu, un aminoacid numit lizină care atârnă de proteinele de adeziune a midiei pare să ajute la îndepărtarea moleculelor de apă, lăsând o suprafață mai uscată pentru proteinele care strălucesc.

Povestea continuă după imagine

Midiile se apucă de stâncile alunecoase și de coca de bărci cu o putere uluitoare. Proteinele din secrețiile lor lipicioase (prezentate) ar putea conține indicii pentru a construi un adeziv mai bun. J. Wilker

Adezivul Wilker este alcătuit din lanțuri lungi de molecule de polistiren (în esență, Styrofoam) cu unități de DOPA amestecate. Acele lanțuri lungi de molecule de polistiren trucate se încurcă împreună și se leagă pentru a crea un adeziv puternic. A realizat diferite soiuri de imitație, adaptate pentru diferite aplicații. După ce a fost scufundată în apă, o versiune a ținut mai strâns sub apă decât lipiciul făcut chiar de midii, a raportat echipa lui Wilker în februarie. Interfețe de materiale aplicate. O altă versiune este biodegradabilă.

Dacă poate face lipiciurile netoxice pentru celule, ar putea fi folosite în interiorul corpului. Într-un studiu recent, Wilker a creat o proteină adezivă artificială care imită elastina proteică naturală. Versiunea artificială a excelat atât în ​​medii de testare uscate, cât și umede, a raportat echipa sa în aprilie Biomateriale.

Totuși, introducerea adezivilor de inspirație animală în corpul uman nu va fi neapărat o sarcină simplă. Necesită abordarea unor probleme pe care alte animale nu trebuie să le rezolve, spune Karp. Un melc, de exemplu, își produce slime așa cum are nevoie. Nu stochează galoane de lipici în corpul său minuscul și nu produce instantaneu provizia pentru un an. Cu toate acestea, un adeziv de succes din lumea reală va trebui să fie ușor de produs în cantități mari și sigur de depozitat luni întregi, subliniază Karp. Acestea sunt probleme pe care oamenii le vor trebui să le rezolve singuri. Aceasta este următoarea provocare.