Ślimaki inspirują super mocny klej do uszczelniania ran

Mimo postępów współczesnej medycyny lekarze wciąż uszczelniają rany technikami, które wydają się bardziej odpowiednie dla kręgów rzemieślniczych niż na sali operacyjnej: zszywki, zestawy do szycia i klej. Dzięki nowemu wynalazkowi nauka klejów medycznych może uzyskać nowoczesny remont. Naukowcy dosłownie obrócili kamienie, aby opracować nowy super mocny klej z nieoczekiwanego źródła - ślimaków.

powiązana zawartość

• Bardziej super super klej może pomóc w budowie robotów podobnych do żelków
• Klej wykonany ze szlamu małży może zapobiegać bliznowaceniu

Obecny złoty standard klejów medycznych to nic innego jak super klej. Substancja czynna w superglue, cyjanoakrylan, jest najtwardszą substancją na rynku, ale bycie silnym to wszystko, co do niej należy. Superglue nie przykleja się do mokrych powierzchni, co zwykle stanowi problem przy krwawieniu z ran. Po nałożeniu na suchą powierzchnię natychmiast zestala się w sztywny i nieustępliwy plastik, który pęka zamiast poruszać się z ciałem podczas gojenia. Co więcej, może być toksyczny dla żywych komórek.

„Czasami to zaskakujące, prawda?” - mówi David Mooney o rustykalnych metodach szycia dostępnych dla lekarzy. Mooney jest profesorem bioinżynierii na Uniwersytecie Harvarda, którego badania dotyczą świata przyrody w celu projektowania nowych materiałów do zastosowań medycznych. „W trakcie procesu ewolucyjnego organizmy muszą zmierzyć się z wieloma różnymi sytuacjami”, mówi. Może to potrwać milion lat, ale w tym czasie organizm może znaleźć najbardziej elegancki i skuteczny sposób na odbudowę skorupy lub załatanie rany. Ludzie sięgają po zszywacz.

Mooney i jego zespół starają się wprowadzić odrobinę finezji królestwa zwierząt w stworzone przez człowieka rozwiązania problemów. Nazywają to „bioinspiracją”. Jianyu Li, doktorant w laboratorium Mooneya, rozpoczął poszukiwania wzorowego kandydata, który był bastionem siły i elastyczności potrzebnej do opatrywania ran i ratowania życia w warunkach chirurgicznych. Po przeczytaniu literatury „[znaleźliśmy] to bardzo fantastyczne stworzenie”, mówi Li. "Ślimak."

Arion subfuscus , przedmiotowy ślimak, może wydawać się mało prawdopodobnym kandydatem. Te niepozorne, zardzewiałe pomarańczowe mięczaki prowadzą proste życie w ogrodach i pod kłodami w północnych regionach umiarkowanych na całym świecie, dbając o swój własny biznes. To znaczy, dopóki coś z nimi nie zadziała. Jeśli głodny drapieżnik spróbuje skubnąć, ślimak detonuje skład śluzu obronnego.

„Kiedy odkryłem te ślimaki i podniosłem jeden z nich, wiedziałem, że ten materiał jest naprawdę niesamowity”, mówi Andrew Smith, profesor biologii w Ithaca College i ekspert w zakresie właściwości biochemicznych śluzu mięczaków, który nie był zaangażowany w badanie . „Dosłownie przesiąka z tyłu ślimaka i w ciągu kilku sekund tworzy naprawdę twardy, elastyczny żel” - mówi.

„To, co sprawia, że ​​jest ekscytujące, to fakt, że materiał jest bardzo twardy”, mówi Smith. Można go rozciągnąć ponad 10 razy więcej niż jego długość, jak gumka, która nie pęka. Może twardnieć, ale pozostaje elastyczny. W przeciwieństwie do super kleju, będzie działać na mokrych powierzchniach. I jest super, bardzo lepki. W rzeczywistości Smith wciąż walczy o pozbycie się sprzętu laboratoryjnego.

Zafascynowany mocą śluzu postanowił dowiedzieć się, jak to działa.

„Typowy żel, taki jak Jell-o, jest sztywny, ale kruchy - jeśli naciśniesz na niego łyżkę, pęknie”, mówi Smith. Ślimaki opracowały sposób, aby być mocnym, gdy galaretowate desery są słabe. Odkrył, że śluz składa się w 97 procentach z wody, ale utkany jest z dwóch różnych polimerów. Pierwszy jest zorganizowany jak siatka; zapewnia silny kręgosłup. Przez siatkę zaplątane są rozległe łańcuchy polimerowe, które utrzymują siatkę razem podczas rozciągania na duże odległości. Ta tak zwana podwójna matryca jest kluczem do siły i elastyczności śluzu ślimaka.

Następnie ślimaki sprawiają, że całość lepi się, wyścielając ją dodatnio naładowanymi białkami, które działają jak rzep atomowy, wiążąc ją z ładunkami ujemnymi na powierzchniach tkanek. Wynik netto? Usta pełne nieprzepuszczalnego kleju, gdy drapieżnik wchodzi na przekąskę z ślimakiem. Lub idealna inspiracja dla nowatorskiego, bardzo mocnego kleju medycznego.

Na podstawie pracy Smitha charakteryzującej śluz ślimaka Li postanowił odtworzyć jego właściwości w syntetycznym kleju. Mooney i Li zwracają uwagę, że żadne stworzyciele ogrodowe nigdy nie zostaną skrzywdzone, aby stworzyć swój wynalazek. „W naszym materiale nie ma żadnego elementu śluzu ślimaka”, mówi Mooney. „Wykorzystaliśmy to jako inspirację”.

Po kilku latach prób i błędów Li stworzyła prototyp, który doskonale naśladował trwałe właściwości podwójnej matrycy ślimaka, które opisali w badaniu przeprowadzonym dzisiaj w czasopiśmie Science . Górna warstwa to hydrożel, który można przyciąć do potrzebnego rozmiaru. Druga warstwa jest nakładana na hydrożel w postaci cieczy i aktywuje wiązanie chemiczne. „To taśma klejąca, która jest przymocowana do czegoś bardzo elastycznego i może łatwo przesuwać się z chusteczkami” - mówi Mooney.

Nowy klej trafia w dobre miejsce, jeśli chodzi o czas w chirurgii. „To nie tak, że przypadkowo dotkniesz skóry, która utknęła i nie możesz jej zdjąć” - mówi Mooney. Chirurdzy mieliby około 10 sekund na założenie kleju. Po związaniu klej „może wytrzymać stres i napięcie tkanek”, mówi Li - napina się jak bicie serca, oddychanie i ruch.

Dzięki prototypowi zespół przetestował swój klej. Przeprowadzili eksperymenty rozciągania mechanicznego, użyli kleju do załatania uszkodzonych wątrób szczurów, a nawet wykazali swoją siłę w uszczelnieniu dużej wady w bijącym sercu świni. W każdej próbie ich inspirowany ślimakiem klej przewyższał wszystkie dostępne na rynku produkty, poruszając się elastycznie z leczącymi wątróbkami i pompującymi sercami, wszystkie bez widocznej toksyczności.

Strategia zespołu polegająca na poszukiwaniu natury w celu rozwiązania problemów to wartość, którą podziela Phillip Messersmith, profesor bioinżynierii i materiałoznawstwa na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, którego badania wykorzystują małże jako bioinspirację do produkcji klejów. „To naprawdę bardzo ważne badanie” - mówi. „Bardzo dobrze wykonany i mający istotne implikacje dla zastosowań medycznych.” Chociaż Messersmith nie miał zastrzeżeń technicznych, zauważa, że ​​wszelkie przyszłe zastosowania chirurgiczne będą wymagały biodegradacji materiału.

Na szczęście biodegradowalna wersja tych klejów znajduje się na drugim planie. W trakcie procesu patentowego Li i Mooney planują również ocenić, czy ich wynalazek można bezpiecznie stosować u ludzi. „U pacjentów, bezpieczeństwo jest najważniejsze, dlatego będą prowadzone długoterminowe badania mające na celu zapewnienie wysokiego poziomu bezpieczeństwa”, mówi Mooney. Opracowują również wersję kleju, którą można wstrzykiwać w trudno dostępne miejsca, które wymagają łatania. Zainspirowany niepozorną ślimakiem pod skałami w ogrodzie, wydaje się, że niebo jest granicą tego wynalazku.

„Pracowaliśmy nad ślimakami przez pewien czas i byłem naprawdę pewien, że doprowadzi to do czegoś dobrego” - mówi Smith. „Zawsze uważałem, że ten ślimak był niezwykły i miał potencjał, aby doprowadzić do naprawdę przydatnych klejów i wow - naprawdę pokazali”.