Et internationalt forskerhold fra Massachusetts Institute of Technology (MIT) i USA og Collaborative Research Center "Dynamic Hydrogels at Biointerfaces" ved Freie Universität Berlin har udviklet et nyt klæbemiddel, der kombinerer den vandtætte klæbrighed fra muslingeplakker med slim, et bakterieafvisende naturmateriale. Dette nye klæbemiddel, der er udvundet af slim, forhindrer ophobning af bakterier og bevarer sin klæbrige hæfteevne, selv på våde overflader.
Forskerne håber, at når klæbemidlets egenskaber er optimeret, kan det påføres som en væske ved injektion eller spray, som derefter størkner til en klæbrig gel. Materialet kan for eksempel bruges til at belægge medicinske implantater for at forhindre infektioner og ophobning af bakterier.
I dyreriget er muslinger mestre i undervandsklæbeevne: Disse havmuslinger boltrer sig på klipper og bunden af skibe og kan klamre sig til havets bølger takket være et undervandsklæbemiddel, de udskiller fra deres fødder. Disse sejlivede klæbestrukturer har i de senere år fået forskere til at udvikle lignende bioinspirerede, vandtætte klæbemidler.
Enhver overflade af menneskekroppen, der ikke er dækket af hud, er beklædt med et beskyttende lag af slim - et slimet netværk af glykoproteiner , der fungerer som en fysisk barriere mod bakterier og andre infektiøse agenser. I deres nye arbejde kombinerede ingeniørerne klæbrige, muslingeinspirerede polymerer med slimafledte glykoproteiner kaldet muciner for at skabe en klæbrig gel, der klæber stærkt til overflader.
Holdets nye tilgang til fremstilling af klæbemidler kunne også tilpasses til at omfatte andre naturlige materialer såsom keratin, et fiberholdigt stof, der findes i fjer og hår, og som har visse kemiske egenskaber, der ligner slim.
"Anvendelserne af vores materialedesigntilgang vil afhænge af de specifikke prækursormaterialer," siger George Degen, postdoc-forsker ved MIT's Institut for Mekanik. "Materialer udvundet af slim eller slim inspireret af slim kan for eksempel bruges som multifunktionelle biomedicinske klæbemidler, der også forebygger infektioner. Eller anvendelsen af vores tilgang til keratin kan muliggøre udviklingen af bæredygtige emballagematerialer."
En artikel, der beskriver holdets resultater, blev offentliggjort mandag (17. februar 2024) i Proceedings of the National Academy of Sciences. Degens medforfattere til MIT inkluderer Corey Stevens, Gerardo Cárcamo-Oyarce, Jake Song, Katharina Ribbeck og Gareth McKinley, samt Raju Bej, Peng Tang og Rainer Haag, kemiprofessor ved Freie Universität Berlin. Det internationale samarbejde er en del af arbejdet i Collaborative Research Center "Dynamic hydrogels at biointerfaces" (www.sfb1449.de), som Katharina Ribbeck og Rainer Haag tilhører.
Før George Degen kom til MIT, var han ph.d.-studerende ved University of California, Santa Barbara, hvor han arbejdede i en forskergruppe, der undersøgte muslingers klæbemekanismer. "Muslinger er i stand til at aflejre materialer, der klæber til våde overflader inden for sekunder til minutter," siger Degen. "Disse naturlige materialer klæber bedre end kommercielle klæbemidler, især til våde overflader og under vandet, hvilket længe har været en teknisk udfordring."
For at hæfte sig til en klippe eller et skib udskiller muslinger en proteinrig væske. Kemiske bindinger, eller tværbindinger, fungerer som forbindelsespunkter mellem proteinerne, hvilket gør det muligt for det udskilte stof at størkne til en gel og samtidig hæfte sig til en våd overflade.
Tilfældigvis findes lignende tværbindingsegenskaber i mucin - et protein, der er den primære ikke-vandige komponent i slim. Da Degen kom til MIT, samarbejdede han med McKinley, professor i maskinteknik og ekspert i materialevidenskab og væskestrømning, og Katharina Ribbeck, professor i bioteknik og førende inden for slimforskning, for at udvikle et tværbindingsklæbemiddel, der kombinerer de klæbende egenskaber ved muslingeplak med de antibakterielle egenskaber ved slim.
MIT-forskerne har slået sig sammen med Rainer Haag og andre forskere i Berlin, der specialiserer sig i syntesen af bioinspirerede materialer. Rainer Haag og Katharina Ribbeck er medlemmer af en fælles forskningsgruppe, der udvikler dynamiske hydrogeler til biogrænseflader. Haags gruppe har skabt muslingelignende klæbemidler og sliminspirerede væsker ved at producere mikroskopiske, fiberholdige polymerer, der i struktur ligner naturlige muciner.
I deres nye arbejde fokuserede forskerne på et kemisk motiv, der findes i muslingens klæbemidler: en binding mellem to kemiske grupper kendt som "katekoler" og "thioler". I muslingens naturlige "lim", plak, kombineres disse grupper og danner katekol-thiol-tværbindinger, som bidrager til plakkens kohæsive styrke. Katekiner forbedrer også muslingens vedhæftning ved at binde sig til overflader som klipper og skibsskrog.
Thiolgrupper viste sig også at være udbredt i muciner. George Degen undersøgte, om muslingeinspirerede polymerer kunne binde sig til mucinthioler, hvilket gjorde det muligt for mucinerne hurtigt at omdanne sig fra en væske til en klæbrig gel. For at teste denne idé kombinerede han opløsninger af naturlige muciner med syntetiske, muslingeinspirerede polymerer og observerede, hvordan den resulterende blanding opløstes over tid og klæbede til overflader.
"Det er som et tokomponents klæbemiddel, hvor man kombinerer to væsker, og kemien begynder at virke, når væsken opløses, mens stoffet samtidig klæber til overfladen," siger George Degen. "Afhængigt af graden af tværbinding kan vi kontrollere den hastighed, hvormed væskerne gelerer og klæber," forklarer Rainer Haag. "Vi kan gøre alt dette på våde overflader, ved stuetemperatur og under meget milde forhold. Det er det, der gør det unikt."
Holdet påførte forskellige blandinger mellem to overflader og fandt ud af, at det resulterende klæbemiddel holdt overfladerne sammen med kræfter, der kan sammenlignes med kommercielt tilgængelige medicinske klæbemidler, såsom dem, der bruges til at binde væv. Det internationale forskerhold testede også klæbemidlets antibakterielle egenskaber ved at påføre gelen på glasoverflader og inkubere dem med bakterier natten over.
"Vi fandt ud af, at bakterierne dannede en tyk biofilm på en bar glasoverflade uden vores klæbende belægning, mens biofilm i vid udstrækning blev forhindret med vores belægning," siger George Degen.
Ifølge forskerne kan klæbemidlets vedhæftning forbedres yderligere med en lille finjustering. Hvis det lykkes, kan materialet være et stærkt og beskyttende alternativ til eksisterende medicinske klæbemidler.
"Vi er glade for at have skabt en platform for materialedesign, der giver os disse ønskelige egenskaber inden for gelering og adhæsion, og som udgangspunkt har vi demonstreret vigtige biomedicinske anvendelser," siger George Degen. "Vi er nu klar til at udvide vores arbejde til andre syntetiske og naturlige systemer og forfølge andre anvendelser." Denne forskning blev delvist finansieret af den tyske forskningsfond, de nationale sundhedsinstitutter, den nationale videnskabsfond og hærens forskningskontor.
originale publikation
Artikel i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)
Læs også
Bionik: Monarksommerfugle fungerer som modeller for robotvinger | Pugnalom
Forskere identificerer pil som en råmaterialekilde for fremtiden | Pugnalom
