Los adhesivos médicos tradicionales utilizados en aplicaciones quirúrgicas a menudo tienen una bioabsorbibilidad limitada, una alta toxicidad y una falta de personalización, lo que conduce a resultados quirúrgicos subóptimos. Los avances recientes en biología sintética ofrecen una alternativa prometedora:adhesivos biocompatibles y biodegradables diseñados para aplicaciones biomédicas internas específicas, como la reparación de tejidos y pegamentos quirúrgicos.

Los investigadores que trabajan con Fuzhong Zhang, profesor de energía, ingeniería ambiental y química en la Escuela de Ingeniería McKelvey de la Universidad de Washington en St. Louis, están abordando este desafío con una nueva clase de hidrogeles construidos enteramente a partir de proteínas.

Los colaboradores de Zhang incluyen a Marcus Foston, profesor asociado de ingeniería energética, ambiental y química; Guy Genin, profesor de Ingeniería Mecánica Harold y Kathleen Faught; y Mohamed A. Zayed, profesor asociado de cirugía y radiología. Su diseño programable permite un control preciso sobre las propiedades mecánicas y adhesivas, abordando las limitaciones de los biopegamentos sintéticos. La investigación fue publicada en ACS Applied Materials &Interfaces .

"Este trabajo es uno de los primeros en demostrar que la biología sintética se puede utilizar no sólo para producir materiales sino también para comprender las relaciones entre secuencia, estructura y función de los materiales", dijo Juya Jeon, estudiante de posgrado en el laboratorio de Zhang y primer autor del estudio. .

"Nuestros hidrogeles están hechos de proteínas diseñadas artificialmente que nunca antes se habían creado. Estas proteínas únicas brindan a nuestros hidrogeles una combinación de propiedades ventajosas, incluidas excelentes propiedades mecánicas y adhesivas bajo el agua, al mismo tiempo que son bioabsorbibles y se adaptan de manera única a aplicaciones de ingeniería/reparación de tejidos. "

El nuevo material del equipo se basa en estudios previos del laboratorio de Zhang sobre adhesivos submarinos inspirados en los mejillones acuáticos y sus pegajosas proteínas de patas de mejillón (Mfp). Jeon mejoró el trabajo anterior combinando cuidadosamente péptidos amiloides de seda y Mfp en un hidrogel de proteína de pata de mejillón (SAM, por sus siglas en inglés) de amiloide de seda.

Actuando como una especie de chef molecular, Jeon ajustó las proporciones de los dos ingredientes principales para lograr hidrogeles SAM que pueden ajustarse con precisión para mostrar combinaciones únicas de biocompatibilidad, bioabsorbibilidad, resistencia, elasticidad y adhesión bajo el agua a superficies biológicas.

Jeon también exploró las intrincadas relaciones entre la secuencia de proteínas y las propiedades del hidrogel, que serán cruciales para diseñar hidrogeles SAM con características personalizadas para aplicaciones de reparación médica personalizadas. Al fabricar hidrogeles SAM utilizando diversas combinaciones de amiloide de seda y Mfps, Jeon y Zhang revelaron con éxito relaciones complejas entre la estructura y las propiedades del material.

Descubrieron que un aumento en las repeticiones de amiloide de seda mejoraba significativamente la fuerza cohesiva y la dureza, mientras que extender la longitud de Mfp aumentaba la adhesión a la superficie pero disminuía la fuerza general. Una variante de particular interés demostró fuerza excepcional, resistencia a la tensión y adhesividad bajo el agua cuando se probó en un modelo preclínico.

"Las relaciones secuencia-estructura-propiedad descubiertas en este estudio proporcionan información invaluable para guiar el diseño futuro de adhesivos proteicos con propiedades ajustables, allanando el camino para adhesivos personalizados adaptados a aplicaciones específicas", afirmó Zhang.

"Este estudio marca un importante avance en la búsqueda de adhesivos quirúrgicos más seguros y eficaces, abriendo las puertas a una nueva era de biopegamentos personalizados para diversas necesidades médicas. También ilustra cómo se puede utilizar la biología sintética para iluminar relaciones moleculares complejas y fabricar biomateriales avanzados."

Más información: Juya Jeon et al, Bioadhesivos a base de proteínas diseñados genéticamente con propiedades de materiales programables, Interfaces y materiales aplicados ACS (2023). DOI:10.1021/acsami.3c12919

Información de la revista: Interfaces y materiales aplicados de ACS

Proporcionado por la Universidad de Washington en St. Louis