Se ha descubierto que un pegamento no tóxico inspirado en las proteínas adhesivas producidas por los mejillones y otras criaturas supera a los productos disponibles comercialmente. apuntando hacia posibles colas quirúrgicas para reemplazar suturas y grapas.

Cada año se realizan más de 230 millones de cirugías mayores en todo el mundo, y solo en los Estados Unidos se tratan más de 12 millones de heridas traumáticas. Aproximadamente el 60 por ciento de estas heridas se cierran mediante métodos mecánicos como suturas y grapas.

"Las suturas y las grapas tienen varias desventajas en relación con los adhesivos, incluida la incomodidad del paciente, mayor riesgo de infección y daño inherente al tejido sano circundante, "dijo Julie Liu, profesor asociado de ingeniería química e ingeniería biomédica en la Universidad de Purdue.

La mayoría de los adhesivos no funcionan bien en ambientes húmedos porque el agua interfiere con el proceso de adhesión. Si bien el desarrollo de adhesivos que superen este problema es un desafío, Las colas para aplicaciones médicas deben cumplir un requisito adicional:deben ser no tóxicas y biocompatibles. así como.

"Las tecnologías de adhesivos biomédicos actuales no satisfacen estas necesidades, ", dijo." Diseñamos un sistema de proteínas bioinspiradas que promete lograr una adhesión bajo el agua biocompatible junto con un comportamiento ambientalmente sensible que es 'inteligente, 'lo que significa que se puede ajustar para adaptarse a una aplicación específica ".

En los esfuerzos por desarrollar mejores alternativas, los investigadores se han inspirado en los pegamentos naturales. Específicamente, Se ha demostrado la aplicación y unión bajo el agua con materiales basados ​​en organismos como gusanos castillo de arena y mejillones. Ambos producen proteínas que contienen el aminoácido 3, 4- dihidroxifenilalanina, o DOPA, que se ha demostrado que proporciona fuerza de adhesión, incluso en ambientes húmedos.

Los resultados de la investigación se detallaron en un artículo de investigación publicado en abril en Biomateriales . El artículo fue escrito por la estudiante graduada M. Jane Brennan; la estudiante de pregrado Bridget F. Kilbride; Jonathan Wilker, profesor de química e ingeniería de materiales; y Liu.

Los adhesivos y selladores actuales aprobados por la FDA enfrentan varios desafíos:muchos exhiben características tóxicas, algunos solo pueden aplicarse tópicamente porque se degradan en productos cancerígenos; algunos se derivan de fuentes sanguíneas y tienen el potencial de transmisión de patógenos transmitidos por la sangre, como la hepatitis y el VIH; y otros provocan inflamación e irritación.

"Más importante, sin embargo, es que la mayoría de estos adhesivos no poseen la suficiente adherencia en un ambiente excesivamente húmedo y no están aprobados para su aplicación en el cierre de heridas, "Dijo Liu." De hecho, muchos de estos materiales aconsejan específicamente secar el área de aplicación tanto como sea posible ".

Los investigadores de Purdue crearon un nuevo material adhesivo llamado ELY16, un "polipéptido similar a elastina, "o ELP. Contiene elastina, una proteína muy elástica que se encuentra en el tejido conectivo, y tirosina, un aminoácido. El ELY16 se modificó agregando la enzima tirosinasa, convirtiendo la tirosina en la molécula adhesiva DOPA y formando mELY16.

Tanto ELY16 como mELY16 no son tóxicos para las células y funcionan bien en condiciones secas. La modificación con DOPA aumenta la fuerza de adhesión en condiciones muy húmedas. Es más, la versión modificada es "sintonizable" para diferentes condiciones ambientales y puede diseñarse para adaptarse a las propiedades de diferentes tipos de tejidos.

"Hasta donde sabemos, mELY16 proporciona los enlaces más fuertes de cualquier proteína diseñada cuando se usa completamente bajo el agua, y sus altos rendimientos lo hacen más viable para aplicaciones comerciales en comparación con las proteínas adhesivas naturales, ", dijo." Así que muestra un gran potencial para ser un nuevo adhesivo submarino inteligente ".

El adhesivo también tiene una excelente biocompatibilidad debido al uso de elastina humana.

"Nuestro objetivo era imitar el tipo de adhesión que tienen las proteínas adhesivas del mejillón, y muchos otros trabajos se han centrado en la molécula de DOPA como fundamental para esa adhesión, ", dijo Liu." Descubrimos que cuando los materiales adhesivos estaban expuestos a grandes cantidades de humedad, las proteínas que contienen DOPA tenían una fuerza de adhesión mucho mayor en comparación con las proteínas no convertidas que solo contenían tirosina. Entonces, DOPA confirió una adhesión mucho más fuerte en ambientes húmedos ".

Probar el adhesivo en un ambiente altamente húmedo es importante para determinar qué tan bien se comportará y curará el adhesivo en presencia de humedad en aplicaciones biomédicas.

La investigación mostró que mELY16 superó a los adhesivos comerciales, incluido un sellador aprobado por la FDA.

"En comparación con este sellador, Nuestras proteínas con DOPA tienen una fuerza de adhesión significativamente mayor, "Dijo Liu.

Los polipéptidos similares a la elastina tienen la capacidad innata de "coacervar, "lo que hace que se separen en" dos fases líquidas, "uno más denso y rico en proteínas que el otro, imitando el mecanismo de adhesión utilizado por los gusanos castillo de arena.

La elastina proporciona esta propiedad de coacervación, lo que posibilita una fácil aplicación del adhesivo bajo el agua. También es una proteína flexible de origen natural que se encuentra en los tejidos, y se ha demostrado que los polipéptidos de tipo elastina se pueden "reticular, "o reforzado para cambiar la rigidez para imitar los tejidos blandos.

"Este polipéptido similar a la elastina se puede producir con altos rendimientos a partir de Escherichia coli y puede 'coacervarse' en respuesta a factores ambientales como la temperatura, pH y salinidad, ", dijo." Debido a que la proteína se coacerva en un baño de líquido tibio, se forma una fase densa rica en proteínas. Esta fase rica en proteínas contiene nuestro material adhesivo en forma concentrada, y porque es más denso que el agua, no se dispersa ".

Los investigadores probaron el polímero con células de ratón llamadas fibroblastos NIH / 3T3. Estas células se utilizan a menudo en la investigación para evaluar la toxicidad al examinar qué tan bien sobreviven y crecen las células cuando se exponen a nuevos materiales. Para probar la biocompatibilidad, los investigadores midieron la viabilidad de los fibroblastos NIH / 3T3 cultivados durante 48 horas directamente en una capa de ELY16, mELY16, y un control. En todos los grupos, la viabilidad fue superior al 95 por ciento.

Las investigaciones futuras incluirán trabajos para optimizar la formulación del adhesivo y realizar pruebas con materiales naturales.

"Comenzamos nuestras pruebas con sustratos de aluminio porque es más fácil lograr resultados reproducibles usando aluminio, "Dijo Liu." Sin embargo, si estamos interesados ​​en aplicaciones biomédicas, Necesitamos probar sustratos que sean más similares a los tejidos blandos del cuerpo, y estos sustratos son más difíciles de trabajar ".