Inden for dyreriget er muslinger mestre af undervandsadhæsion. Marine bløddyr klynger ovenpå klipper og langs bunden af skibe og holder fast mod havets bølger takket være en limende plak, udskiller de gennem deres fod. Disse ihærdige klæbende strukturer har bedt forskere i de senere år til at designe lignende bioinspirerede, vandtætte klæbemidler.
Nu har ingeniører fra MIT og Freie Universität Berlin udviklet en ny type lim, der kombinerer den vandtætte klæbrighed af muslingens plaques med de kimsikkerheds egenskaber ved et andet naturligt materiale: slim.
Forskningen offentliggøres i tidsskriftet Forløb af National Academy of Sciences.
Hver overflade i vores kroppe, der ikke er dækket af hud, er foret med et beskyttende lag af slim – et slimet netværk af proteiner, der fungerer som en fysisk barriere mod bakterier og andre infektionsmidler. I deres nye arbejde kombinerede ingeniørerne klistrede, muslinginspirerede polymerer med slim-afledte proteiner eller muciner for at danne en gel, der stærkt klæber til overflader.
Den nye slim-afledte lim forhindrede opbygning af bakterier, mens det holdt sit klistrede greb, selv på våde overflader. Forskerne ser for sig, at når limets egenskaber er optimeret, kunne den påføres som en væske ved injektion eller spray, som derefter ville størkne til en klistret gel. Materialet kan bruges til at belægge medicinske implantater, for eksempel til at forhindre opbygning af infektion og bakterier.
Holdets nye limfremstillingsmetode kunne også justeres for at inkorporere andre naturlige materialer, såsom keratin-et fibrøst stof, der findes i fjer og hår, med visse kemiske træk, der ligner slim.
“Anvendelserne af vores materialedesign -tilgang afhænger af de specifikke forløbermaterialer,” siger George Degen, en postdoc i MITs Department of Mechanical Engineering. “For eksempel kan slim-afledte eller sliminspirerede materialer anvendes som multifunktionelle biomedicinske klæbemidler, der også forhindrer infektioner. Alternativt kan anvendelse af vores tilgang til keratin muliggøre udvikling af bæredygtige emballagematerialer.”
Degen’s MIT-medforfattere inkluderer Corey Stevens, Gerardo Cárcamo-Oyarce, Jake Song, Katharina Ribbeck og Gareth McKinley sammen med Raju Bej, Peng Tang og Rainer Haag fra Freie Universität Berlin.
En klistret kombination
Før han kom til MIT, var Degen en kandidatstuderende ved University of California i Santa Barbara, hvor han arbejdede i en forskningsgruppe, der studerede klæbemekanismerne for muslinger.
“Muslinger er i stand til at deponere materialer, der klæber til våde overflader på få sekunder til minutter,” siger Degen. “Disse naturlige materialer klarer sig bedre end eksisterende kommercialiserede klæbemidler, specifikt ved at holde sig til våde og undervandsoverflader, som har været en langvarig teknisk udfordring.”
For at holde sig til en klippe eller et skib udskiller muslingerne en proteinrig væske. Kemiske bindinger eller tværbindinger fungerer som forbindelsespunkter mellem proteiner, hvilket gør det muligt for det udskilte stof samtidig at størkne til en gel og klæbe til en våd overflade.
Som det sker, findes lignende tværbindingsegenskaber i mucin-et stort protein, der er den primære ikke-vandkomponent i slim. Da Degen kom til MIT, arbejdede han sammen med både McKinley, professor i maskinteknik og ekspert inden for materialevidenskab og fluidstrøm, og Katharina Ribbeck, professor i biologisk teknik og en leder i studiet af slim, for at udvikle et kryds Forbindelse af lim, der ville kombinere klæbende kvaliteter af muslingplader med bakterieblokerende egenskaber ved slim.
Blanding af links
MIT -forskerne samarbejdede med HAAG og kolleger i Berlin, der er specialiserede i at syntetisere bioinspirerede materialer. Haag og Ribbeck er medlemmer af en samarbejdsgruppe, der udvikler dynamiske hydrogeler til biointerfaces. Haags gruppe har lavet muslinglignende klæbemidler såvel som sliminspirerede væsker ved at producere mikroskopiske, fiberlignende polymerer, der ligner struktur som de naturlige mucinproteiner.
Til deres nye arbejde fokuserede forskerne på et kemisk motiv, der vises i muslingklæbemidler: et bånd mellem to kemiske grupper kendt som “catechols” og “thiols.” I muslingens naturlige lim eller plak kombineres disse grupper for at danne catechol-thiol tværbindinger, der bidrager til plakatens sammenhængende styrke. Catechols forbedrer også en muslings vedhæftning ved binding til overflader som klipper og skibskrog.
Interessant nok er thiolgrupper også udbredt i mucinproteiner. Degen spekulerede på, om muslinginspirerede polymerer kunne forbinde med mucin-thioler, hvilket gjorde det muligt for mucinerne hurtigt at dreje fra en væske til en klistret gel.
For at teste denne idé kombinerede han opløsninger af naturlige mucinproteiner med syntetiske muslinginspirerede polymerer og observerede, hvordan den resulterende blanding størknet og holdt sig til overflader over tid.
“Det er som en todelt epoxy. Du kombinerer to væsker sammen, og kemi begynder at forekomme, så de flydende solifidier, mens stoffet samtidig limer sig selv på overfladen,” siger Degen.
“Afhængig af hvor meget tværbinding du har, kan vi kontrollere den hastighed, hvormed væskerne gelerer og klæber,” tilføjer Haag. “Vi kan gøre alt dette på våde overflader, ved stuetemperatur og under meget milde forhold. Det er det, der er ganske unikt.”
Holdet deponerede en række sammensætninger mellem to overflader og fandt, at det resulterende klæbemiddel holdt overfladerne sammen, med kræfter, der var sammenlignelige med de kommercielle medicinske klæbemidler, der blev brugt til bindingsvæv. Forskerne testede også klæbende bakterieblokerende egenskaber ved at deponere gelen på glasoverflader og inkuber dem med bakterier natten over.
“Vi fandt, at hvis vi havde en bare glasoverflade uden vores belægning, dannede bakterierne en tyk biofilm, mens Biofilms med vores belægning stort set blev forhindret,” bemærker Degen.
Holdet siger, at de med en smule tuning kan forbedre klæbemidlets hold yderligere. Derefter kan materialet være et stærkt og beskyttende alternativ til eksisterende medicinske klæbemidler.
“Vi er glade for at have etableret en biomateriale -designplatform, der giver os disse ønskelige egenskaber ved gelering og vedhæftning, og som udgangspunkt har vi demonstreret nogle vigtige biomedicinske applikationer,” siger Degen. “Vi er nu klar til at udvide til forskellige syntetiske og naturlige systemer og målrette forskellige applikationer.”