Ett internationellt forskarteam från Massachusetts Institute of Technology (MIT) i USA och Collaborative Research Center "Dynamic Hydrogels at Biointerfaces" vid Freie Universität Berlin har utvecklat ett nytt lim som kombinerar den vattentäta klibbigheten hos musslors plack med slem, ett bakterieavvisande naturmaterial. Detta nya lim, som utvinns ur slem, förhindrar ansamling av bakterier och bibehåller sin klibbiga hållning även på våta ytor.
Forskarna hoppas att när dess egenskaper är optimerade kan limmet appliceras som en vätska genom injektion eller spray, som sedan stelnar till en klibbig gel. Materialet skulle till exempel kunna användas för att belägga medicinska implantat för att förhindra infektioner och ansamling av bakterier.
I djurriket är musslor mästare på undervattensvidhäftning: Dessa havsmusslor leker på klippor och botten av fartyg, och kan klamra sig fast vid havsvågor tack vare ett undervattenslim som de utsöndrar från sina fötter. Dessa sega adhesiva strukturer har på senare år fått forskare att utveckla liknande bioinspirerade, vattentäta lim.
Varje yta på människokroppen som inte är täckt av hud är klädd med ett skyddande lager av slem – ett slemmigt nätverk av glykoproteiner som fungerar som en fysisk barriär mot bakterier och andra smittämnen. I sitt nya arbete kombinerade ingenjörerna klibbiga, mussleinspirerade polymerer med slem-deriverade glykoproteiner som kallas muciner för att skapa en klibbig gel som fäster starkt vid ytor.
Teamets nya metod för att tillverka lim skulle också kunna anpassas till att inkludera andra naturliga material som keratin, ett fibröst ämne som finns i fjädrar och hår och som har vissa kemiska egenskaper som liknar slem.
”Tillämpningarna av vår materialdesignmetod kommer att bero på de specifika prekursormaterialen”, säger George Degen, postdoktor vid MIT:s institution för maskinteknik. ”Material som härrör från slem eller slem inspirerade material skulle till exempel kunna användas som multifunktionella biomedicinska lim som också förhindrar infektioner. Eller så skulle tillämpningen av vår metod på keratin kunna möjliggöra utvecklingen av hållbara förpackningsmaterial.”
En artikel som beskriver teamets resultat publicerades måndagen den 17 februari 2024 i Proceedings of the National Academy of Sciences. Degens medförfattare vid MIT inkluderar Corey Stevens, Gerardo Cárcamo-Oyarce, Jake Song, Katharina Ribbeck och Gareth McKinley, samt Raju Bej, Peng Tang och Rainer Haag, kemiprofessor vid Freie Universität Berlin. Det internationella samarbetet är en del av arbetet inom Collaborative Research Center "Dynamic hydrogels at biointerfaces" (www.sfb1449.de), där Katharina Ribbeck och Rainer Haag tillhör.
Innan George Degen kom till MIT var han doktorand vid University of California, Santa Barbara, där han arbetade i en forskargrupp som undersökte musslors vidhäftningsmekanismer. ”Musslor kan avsätta material som fäster på våta ytor inom några sekunder till minuter”, säger Degen. ”Dessa naturliga material fäster bättre än kommersiella lim, särskilt på våta ytor och under vattnet, vilket länge har varit en teknisk utmaning.”
För att fästa vid en sten eller ett skepp utsöndrar musslor en proteinrik vätska. Kemiska bindningar, eller tvärbindningar, fungerar som kopplingspunkter mellan proteinerna, vilket gör att den utsöndrade substansen samtidigt kan stelna till en gel och fästa vid en våt yta.
Av en slump finns liknande tvärbindningsegenskaper i mucin – ett protein som är den huvudsakliga icke-vattenhaltiga komponenten i slem. När Degen kom till MIT samarbetade han med McKinley, professor i maskinteknik och expert på materialvetenskap och vätskeflöde, och Katharina Ribbeck, professor i bioteknik och ledande inom slemforskning, för att utveckla ett tvärbindande lim som kombinerar mussleplackets vidhäftningsegenskaper med slemmets antibakteriella egenskaper.
MIT-forskarna har samarbetat med Rainer Haag och andra forskare i Berlin som specialiserar sig på syntes av bioinspirerade material. Rainer Haag och Katharina Ribbeck är medlemmar i en gemensam forskargrupp som utvecklar dynamiska hydrogeler för biogränssnitt. Haags grupp har skapat musselliknande lim och sleminspirerade vätskor genom att producera mikroskopiska, fibrösa polymerer med liknande struktur som naturliga muciner.
I sitt nya arbete fokuserade forskarna på ett kemiskt motiv som finns i musslornas lim: en bindning mellan två kemiska grupper som kallas "katekoler" och "tioler". I musslornas naturliga "lim", plack, kombineras dessa grupper för att bilda katekol-tiol-tvärbindningar, vilket bidrar till plackets kohesiva styrka. Katekiner förbättrar också musslornas vidhäftning genom att binda till ytor som stenar och fartygsskrov.
Tiolgrupper visade sig också vara utbredda i muciner. George Degen undersökte om musselinspirerade polymerer kunde binda till mucintioler, vilket gjorde att mucinerna snabbt kunde omvandlas från en vätska till en klibbig gel. För att testa denna idé kombinerade han lösningar av naturliga muciner med syntetiska, musselinspirerade polymerer och observerade hur den resulterande blandningen löstes upp över tid och vidhäftade till ytor.
”Det är som ett tvåkomponentslim där man kombinerar två vätskor, och kemin börjar fungera när vätskan löses upp medan ämnet samtidigt fäster vid ytan”, säger George Degen. ”Beroende på graden av tvärbindning kan vi kontrollera hastigheten med vilken vätskorna bildar gel och fäster”, förklarar Rainer Haag. ”Vi kan göra allt detta på våta ytor, i rumstemperatur och under mycket milda förhållanden. Det är det som gör det unikt.”
Teamet applicerade olika blandningar mellan två ytor och fann att det resulterande limmet höll ihop ytorna med krafter jämförbara med kommersiellt tillgängliga medicinska lim, såsom de som används för att binda vävnad. Det internationella forskarteamet testade också limmets antibakteriella egenskaper genom att applicera gelen på glasytor och inkubera dem med bakterier över natten.
”Vi fann att bakterierna bildade en tjock biofilm på en bar glasyta utan vår självhäftande beläggning, medan biofilmer till stor del förhindrades med vår beläggning”, säger George Degen.
Enligt forskarna kan limmets vidhäftning förbättras ytterligare med lite finjustering. Om det lyckas kan materialet bli ett starkt och skyddande alternativ till befintliga medicinska lim.
”Vi är glada över att ha skapat en materialdesignplattform som ger oss dessa önskvärda egenskaper för gelering och vidhäftning, och som utgångspunkt har vi visat viktiga biomedicinska tillämpningar”, säger George Degen. ”Vi är nu redo att utöka vårt arbete till andra syntetiska och naturliga system och utforska andra tillämpningar.” Denna forskning finansierades delvis av Tyska forskningsstiftelsen, National Institutes of Health, National Science Foundation och Army Research Office.
ursprungliga publikation
Artikel i Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS)
Läs också
Bionik: Monarkfjärilar fungerar som modeller för robotvingar | Pugnalom
Forskare identifierar pil som en råmaterialkälla för framtiden | Pugnalom
