È stato scoperto che una colla non tossica modellata sulle proteine ​​adesive prodotte da cozze e altre creature ha prestazioni superiori ai prodotti disponibili in commercio, indicando potenziali colle chirurgiche per sostituire suture e punti metallici.

Ogni anno in tutto il mondo vengono eseguiti più di 230 milioni di interventi chirurgici importanti, e solo negli Stati Uniti vengono curate oltre 12 milioni di ferite traumatiche. Circa il 60 percento di queste ferite viene chiuso utilizzando metodi meccanici come suture e punti metallici.

"Le suture e le graffette presentano diversi svantaggi rispetto agli adesivi, compreso il disagio del paziente, maggior rischio di infezione e danno intrinseco ai tessuti sani circostanti, " ha detto Julie Liu, professore associato di ingegneria chimica e ingegneria biomedica alla Purdue University.

La maggior parte degli adesivi non funziona bene in ambienti umidi perché l'acqua interferisce con il processo di adesione. Sebbene lo sviluppo di adesivi che risolvano questo problema sia impegnativo, le colle per applicazioni mediche devono soddisfare un requisito aggiuntivo:devono essere atossiche e biocompatibili, anche.

"Le attuali tecnologie adesive biomedicali non soddisfano queste esigenze, " ha detto. "Abbiamo progettato un sistema proteico bioispirato che mostra la promessa di ottenere un'adesione subacquea biocompatibile unita a un comportamento rispettoso dell'ambiente che è "intelligente, ' significa che può essere regolato per adattarsi a un'applicazione specifica."

Nel tentativo di sviluppare alternative migliori, i ricercatori si sono ispirati alle colle naturali. Nello specifico, l'applicazione e l'incollaggio subacquei sono stati dimostrati con materiali basati su organismi come i vermi dei castelli di sabbia e le cozze. Entrambi producono proteine ​​contenenti l'aminoacido 3, 4- diidrossifenilalanina, o DOPA, che ha dimostrato di fornire forza di adesione, anche in ambienti umidi.

I risultati della ricerca sono stati dettagliati in un documento di ricerca pubblicato ad aprile in Biomateriali . Il documento è stato scritto dalla studentessa laureata M. Jane Brennan; lo studente universitario Bridget F. Kilbride; Jonathan Wilker, un professore di chimica e ingegneria dei materiali; e Liu.

Gli attuali adesivi e sigillanti approvati dalla FDA devono affrontare diverse sfide:molti presentano caratteristiche tossiche, alcuni possono essere applicati solo localmente perché si degradano in prodotti cancerogeni; alcuni derivano da fonti di sangue e sono potenzialmente in grado di trasmettere patogeni per via ematica come l'epatite e l'HIV; e altri causano infiammazione e irritazione.

"Più importante, però, è che la maggior parte di questi adesivi non possiede un'adesione sufficiente in un ambiente eccessivamente umido e non è approvata per l'applicazione nella chiusura della ferita, " Liu ha detto. "In effetti, molti di questi materiali consigliano specificamente di asciugare il più possibile l'area di applicazione."

I ricercatori della Purdue hanno creato un nuovo materiale adesivo chiamato ELY16, un "polipeptide simile all'elastina, " o ELP. Contiene elastina, una proteina altamente elastica che si trova nel tessuto connettivo, e tirosina, un amminoacido. L'ELY16 è stato modificato aggiungendo l'enzima tirosinasi, convertendo la tirosina nella molecola adesiva DOPA e formando mELY16.

Sia ELY16 che mELY16 non sono tossici per le cellule e funzionano bene in condizioni asciutte. La modifica con DOPA aumenta la forza di adesione in condizioni di elevata umidità. Inoltre, la versione modificata è "sintonizzabile" a diverse condizioni ambientali e potrebbe essere progettata per abbinare le proprietà di diversi tipi di tessuto.

"Per quello che ci risulta, mELY16 fornisce i legami più forti di qualsiasi proteina ingegnerizzata quando viene utilizzato completamente sott'acqua, e le sue alte rese lo rendono più praticabile per l'applicazione commerciale rispetto alle proteine ​​adesive naturali, " ha detto. "Quindi mostra un grande potenziale per essere un nuovo adesivo subacqueo intelligente".

L'adesivo ha anche un'eccezionale biocompatibilità grazie all'uso di elastina umana.

"Il nostro obiettivo era imitare il tipo di adesione che hanno le proteine ​​adesive delle cozze, e molto altro lavoro si è concentrato sulla molecola DOPA come fondamentale per tale adesione, " ha detto Liu. "Abbiamo scoperto che quando i materiali adesivi sono stati esposti a grandi quantità di umidità, le proteine ​​contenenti DOPA avevano una forza di adesione molto più elevata rispetto alle proteine ​​non convertite contenenti solo tirosina. Così, Il DOPA ha conferito un'adesione molto più forte in ambienti umidi."

Testare l'adesivo in un ambiente altamente umido è importante per determinare le prestazioni e la polimerizzazione dell'adesivo in presenza di umidità nelle applicazioni biomediche.

La ricerca ha mostrato che mELY16 ha superato gli adesivi commerciali, incluso un sigillante approvato dalla FDA.

"Rispetto a questo sigillante, le nostre proteine ​​con DOPA hanno forze di adesione significativamente più elevate, " ha detto Liù.

I polipeptidi simili all'elastina hanno la capacità innata di "coacervare, " che li fa separare in "due fasi liquide, "uno più denso e più ricco di proteine ​​dell'altro, imitando il meccanismo di adesione utilizzato dai vermi dei castelli di sabbia.

L'elastina fornisce questa proprietà di coacervazione, che rende possibile un modo semplice per applicare l'adesivo sott'acqua. È anche una proteina flessibile presente in natura che si trova nei tessuti, ed è stato dimostrato che i polipeptidi simili all'elastina possono essere "reticolati, "o rinforzato per modificare la rigidità per imitare i tessuti molli.

"Questo polipeptide simile all'elastina può essere prodotto in alte rese da Escherichia coli e può 'coacervare' in risposta a fattori ambientali come la temperatura, pH, e salinità, " ha detto. "Perché la proteina si coacerva in un caldo bagno liquido, si forma una fase densa ricca di proteine. Questa fase ricca di proteine ​​contiene il nostro materiale adesivo in forma concentrata, e poiché è più denso dell'acqua, non si disperde".

I ricercatori hanno testato il polimero con cellule di topo chiamate fibroblasti NIH/3T3. Queste cellule sono spesso utilizzate nella ricerca per valutare la tossicità esaminando come le cellule sopravvivono e crescono quando esposte a nuovi materiali. Per testare la biocompatibilità, i ricercatori hanno misurato la vitalità dei fibroblasti NIH/3T3 coltivati ​​per 48 ore direttamente su uno strato di ELY16, mELY16, e un controllo. In tutti i gruppi, la redditività era superiore al 95 per cento.

La ricerca futura includerà il lavoro per ottimizzare la formulazione dell'adesivo ed eseguire test con materiali naturali.

"Abbiamo iniziato i nostri test con substrati in alluminio perché è più facile ottenere risultati riproducibili utilizzando l'alluminio, " Liu ha detto. "Tuttavia, se siamo interessati alle applicazioni biomediche, dobbiamo testare substrati più simili ai tessuti molli del corpo, e questi substrati sono più impegnativi con cui lavorare."