Sticky when wet: Sterke lijm voor wondgenezing
Slug-geïnspireerde, flexibele medische bio-lijm plakt op natte
oppervlakken zonder toxiciteit
WYSS INSTITUTE FOR BIOLOGICALLY INSPIRED INGENEERING HARVARD
(CAMBRIDGE, Mass.) - Iedereen die ooit een verband/pleister heeft
geprobeerd als de huid vochtig is, weet dat het frustrerend kan
zijn. Natte huid is niet de enige uitdaging voor medische lijmen -
het menselijk lichaam is vol bloed, serum en andere vloeistoffen die
de reparatie van talrijke inwendige letsels compliceren. Veel van de
lijmproducten die vandaag worden gebruikt, zijn giftig voor cellen,
onbuigzaam als ze drogen, en binden niet sterk aan biologisch
weefsel.
Een team van onderzoekers van het Wyss Institute for Biologically
Inspired Engineering en de John A. Paulson School of Engineering en
Technische Wetenschappen (SEAS) aan de Harvard University heeft een
super sterke "harde kleefstof" gecreëerd die biocompatibel is en
bindt aan weefsels met een sterkte vergelijkbaar met het
veerkrachtige kraakbeen van het lichaam, zelfs als het nat is. "Het
belangrijkste kenmerk van ons materiaal is de combinatie van een
zeer sterke kleefkracht en het vermogen om spanning over te dragen
en te verspreiden, die historisch niet in één lijm zijn
geïntegreerd", zegt de bijbehorende auteur Dave Mooney, Ph.D.
Een oprichter van het Core Faculty in het Wyss Institute en de
Robert P. Pinkas Family Professor Bioengineering bij SEAS. Het
onderzoek is gerapporteerd in deze week's kwestie van wetenschap.
Als eerste auteur Jianyu Li, Ph.D. (Voormalig postdoctoraal genoot
bij het Wyss-instituut en nu assistent-professor aan de universiteit
van McGill) begon te denken over het verbeteren van medische lijmen,
vond hij een oplossing op een onwaarschijnlijke plaats: een slak.
De Dusky Arion (Arion subfuscus), vindbaar in Europa en delen van
de Verenigde Staten, scheidt een speciaal soort slijm uit wanneer
het bedreigd wordt, dat het op zijn plaats lijmt, waardoor een
roofdier hem moeilijk van het oppervlak kan ontdoen. Deze lijm werd
eerder samengesteld uit een harde matrix die geperst werd met
positief geladen eiwitten, die Li en zijn collega's geïnspireerd
hebben om een dubbellaagige hydrogel te vormen die bestaat uit een
alginaat-polyacrylamide matrix die een kleeflaag ondersteunt die
positief geladen polymeren uitsteekt van het oppervlak ervan.
De polymeren binden aan biologische weefsels via drie mechanismen
- elektrostatische aantrekkingskracht op negatief geladen
celoppervlakken, covalente bindingen tussen naburige atomen en
fysieke interpenetratie - waardoor het lijm extreem sterk wordt.
Maar de matrixlaag is even belangrijk, zegt Li: "De meeste eerdere
materiaalontwerpen hebben zich alleen gericht op de interface tussen
het weefsel en het lijm. Onze kleefstof kan energie door de
matrixlaag verspreiden, waardoor het veel meer kan vervormen door te
breken."
Het ontwerp van het team voor de matrixlaag bevat calciumionen
die aan de alginaathydrogel zijn gebonden via ionische bindingen.
Wanneer er spanning op het lijm wordt aangebracht, breken deze
"sacrifice" ionische bindingen eerst af, waardoor de matrix een
grote hoeveelheid energie absorbeert voordat de structuur wordt
gecompromitteerd.
Bij experimentele tests was meer dan drie keer de energie nodig
om de binding van de harde lijm te verstoren in vergelijking met
andere medische lijmen, en wanneer het brak, was het niet de
hydrogel zelf, niet de binding tussen het lijm en het weefsel. Een
ongekend niveau van gelijktijdige hoge hechtingssterkte en matrix
taaiheid.
De onderzoekers hebben hun lijm getest op een verscheidenheid aan
zowel droge als natte varkensweefsels, waaronder huid, kraakbeen,
hart, slagader en lever, en vonden dat het aanzienlijk meer gebonden
was dan andere medische lijmen.
De stevige kleefstof handhaafde ook zijn stabiliteit en binding
tijdens twee weken toen het in ratten geïmplanteerd was of wanneer
een gat in een varkenshart werd afgesloten dat mechanisch opgeblazen
en ontlucht werd en vervolgens onderworpen was aan tienduizenden
cycli van uitrekken.
Bovendien heeft het geen weefselschade of adhesies veroorzaakt
aan omringende weefsels bij toepassing van een leverbloeding bij
muizen - bijwerkingen die waargenomen werden met zowel superlijm als
een commercieel trombine-gebaseerde lijm. Zo'n hoogwaardig materiaal
heeft talrijke potentiële toepassingen op het medisch gebied, ofwel
als een pleister die kan worden gesneden naar gewenste maten en
toegepast op weefseloppervlakken of als een injecteerbare oplossing
voor dieper letsel.
Het kan ook gebruikt worden om medische hulpmiddelen aan hun
doelconstructies te bevestigen, zoals een actuator ter ondersteuning
van de hartfunctie. "Deze familie van zware lijmen heeft veel
toepassingen," zegt mede-auteur Adam Celiz, Ph.D., die nu een docent
is aan de afdeling bioengineering, Imperial College London. "We
kunnen deze lijmen uit biologisch afbreekbare materialen maken,
zodat ze ontleden wanneer ze hun doel hebben gediend.
We kunnen zelfs deze technologie combineren met zachte robotica
om sticky robots te maken, of met medicijnen om een nieuw voertuig
voor medicatie afgifte te maken."
"De natuur heeft vaak al veel elegante oplossingen voor
veelvoorkomende problemen gevonden, het is een kwestie om te weten
waar je een goed idee moet zien en herkennen wanneer je het ziet",
zegt Wyss Founding Director Donald Ingber, die ook de Juda Folkman
Professor in Vasculaire Biologie bij Harvard is. Medische School en
het Vasculaire Biologie Programma in het Boston Children's Hospital,
evenals een professor Bioengineering aan de Harvard School of
Engineering and Applied Sciences. "We zijn enthousiast om te zien
hoe deze technologie, geïnspireerd door een bescheiden slak, kan
ontwikkelen tot een nieuwe technologie voor chirurgische reparatie
en wondgenezing."
Vertaling: Gea Weel
