Gli adesivi medici tradizionali utilizzati nelle applicazioni chirurgiche hanno spesso una bioassorbibilità limitata, un’elevata tossicità e una mancanza di personalizzazione, portando a risultati chirurgici non ottimali. I recenti progressi nella biologia sintetica offrono un'alternativa promettente:adesivi biocompatibili e biodegradabili su misura progettati per specifiche applicazioni biomediche interne, come nella riparazione dei tessuti e per le colle chirurgiche.
I ricercatori che lavorano con Fuzhong Zhang, professore di ingegneria energetica, ambientale e chimica presso la McKelvey School of Engineering della Washington University di St. Louis, stanno affrontando questa sfida con una nuova classe di idrogel costruiti interamente da proteine.
I collaboratori di Zhang includono Marcus Foston, professore associato di ingegneria energetica, ambientale e chimica; Guy Genin, professore di ingegneria meccanica di Harold e Kathleen Faught; e Mohamed A. Zayed, professore associato di chirurgia e radiologia. Il loro design programmabile consente un controllo preciso sulle proprietà meccaniche e adesive, affrontando i limiti delle biocolle sintetiche. La ricerca è stata pubblicata in ACS Applied Materials &Interfaces .
"Questo lavoro è uno dei primi a dimostrare che la biologia sintetica può essere utilizzata non solo per produrre materiali ma anche per comprendere le relazioni sequenza-struttura-funzione dei materiali", ha affermato Juya Jeon, uno studente laureato nel laboratorio di Zhang e primo autore dello studio. .
"I nostri idrogel sono costituiti da proteine progettate artificialmente che non sono mai state create prima. Queste proteine uniche conferiscono ai nostri idrogel una combinazione di proprietà vantaggiose, tra cui eccezionali proprietà meccaniche e adesive subacquee pur essendo bioassorbibili e adatte in modo univoco alle applicazioni di riparazione/ingegneria dei tessuti. "
Il nuovo materiale del team si basa su studi precedenti del laboratorio di Zhang sugli adesivi subacquei ispirati alle cozze acquatiche e alle loro proteine appiccicose del piede di cozza (Mfp). Jeon ha migliorato il lavoro precedente combinando attentamente i peptidi di amiloide della seta e Mfp in un idrogel di proteine del piede di cozza, amiloide della seta (SAM).
Agendo come una sorta di chef molecolare, Jeon ha regolato le proporzioni dei due ingredienti principali per ottenere idrogel SAM che possono essere messi a punto con precisione per mostrare combinazioni uniche di biocompatibilità, bioassorbibilità, resistenza, elasticità e adesione subacquea alle superfici biologiche.
Jeon ha inoltre esplorato le complesse relazioni tra la sequenza proteica e le proprietà dell'idrogel, che saranno cruciali per progettare idrogel SAM con caratteristiche su misura per applicazioni di riparazione medica personalizzate. Fabbricando idrogel SAM utilizzando diverse combinazioni di amiloide della seta e Mfps, Jeon e Zhang hanno rivelato con successo relazioni complesse tra struttura e proprietà del materiale.
Hanno scoperto che un aumento delle ripetizioni dell’amiloide della seta ha migliorato significativamente la forza coesiva e la tenacità, mentre l’estensione della lunghezza della Mfp ha aumentato l’adesione superficiale ma ha diminuito la resistenza complessiva. Una variante di particolare interesse ha dimostrato eccezionale robustezza, resistenza alla deformazione e adesività subacquea quando testata su un modello preclinico.
"Le relazioni sequenza-struttura-proprietà scoperte in questo studio forniscono informazioni preziose per guidare la progettazione futura di adesivi proteici con proprietà sintonizzabili, aprendo la strada ad adesivi personalizzati su misura per applicazioni specifiche", ha affermato Zhang.
"Questo studio segna un significativo passo avanti nella ricerca di adesivi chirurgici più sicuri ed efficaci, aprendo le porte a una nuova era di bio-colle personalizzate per diverse esigenze mediche. Illustra inoltre come la biologia sintetica possa essere utilizzata per illuminare complesse relazioni molecolari e produrre biomateriali avanzati."
Ulteriori informazioni: Juya Jeon et al, Bioadesivi a base di proteine geneticamente modificate con proprietà dei materiali programmabili, Materiali e interfacce applicati ACS (2023). DOI:10.1021/acsami.3c12919
Informazioni sul giornale: Materiali e interfacce applicati a ACS
Fornito dalla Washington University di St. Louis
