Inženýři proměnili tělní maz na nové lepidlo

Mořské škeble jsou ve světě podmořského přilnutí nepřekonatelnými mistry. Díky lepkavé placce, kterou vylučují z nohy, se pevně drží na skalách a trupech lodí, odolávající silným oceánským vlnám. Tato houževnatá lepivá struktura inspirovala vědce k vývoji podobných bioinspirovaných, voděodolných lepidel.

Nyní inženýři z MIT a Freie Universität Berlin vyvinuli nový typ lepidla, které kombinuje voděodolnou lepivost škeblových plaků s antibakteriálními vlastnostmi jiného přírodního materiálu: hlenu.

Každý povrch našeho těla, který není pokryt kůží, je vystlán ochrannou vrstvou hlenu – slizkou sítí proteinů, která působí jako fyzická bariéra proti bakteriím a dalším infekčním agens. Ve své nové práci inženýři kombinovali lepkavé, škeblemi inspirované polymery s proteiny odvozenými z hlenu, neboli muciny, aby vytvořili gel, který se silně přilne k povrchům.

Nové lepidlo odvozené z hlenu zabránilo hromadění bakterií a zároveň si udrželo svou lepivost i na mokrých površích. Vědci předpokládají, že po optimalizaci vlastností lepidla by se dalo aplikovat jako kapalina injekcí nebo sprejem, která by následně ztuhla v lepkavý gel. Materiál by se mohl například použít k potažení lékařských implantátů, aby se zabránilo infekci a hromadění bakterií.

Nový přístup týmu k výrobě lepidla by se také dal upravit tak, aby zahrnoval další přírodní materiály, jako je keratin – vláknitá látka nacházející se v peří a vlasech, s určitými chemickými vlastnostmi podobnými vlastnostem hlenu.

„Aplikace našeho přístupu k návrhu materiálů budou záviset na specifických výchozích materiálech,“ říká George Degen, postdoktorand na MIT v oddělení strojírenství. „Například materiály odvozené z hlenu nebo inspirované hlenem by se mohly používat jako multifunkční biomedicínská lepidla, která také brání infekcím. Alternativně by použití našeho přístupu na keratin mohlo umožnit vývoj udržitelných obalových materiálů.“

Článek podrobně popisující výsledky týmu vyšel tento týden v časopise Proceedings of the National Academy of Sciences. Mezi Degenovy spoluautory z MIT patří Corey Stevens, Gerardo Cárcamo-Oyarce, Jake Song, Katharina Ribbeck a Gareth McKinley, spolu s Rajem Bejem, Peng Tangem a Rainerem Haagem z Freie Universität Berlin.

Lepkavá kombinace

Před příchodem na MIT byl Degen postgraduálním studentem na Kalifornské univerzitě v Santa Barbaře, kde pracoval ve výzkumné skupině, která studovala adhezivní mechanismy škeblí.

„Škeble dokáží ukládat materiály, které se přichytí k mokrým povrchům během sekund až minut,“ říká Degen. „Tyto přírodní materiály fungují lépe než existující komerční lepidla, zejména pokud jde o přilnavost k mokrým a podvodním povrchům, což byl dlouhodobý technický problém.“

Aby se škeble přilepily ke skále nebo lodi, vylučují proteinem bohatou tekutinu. Chemické vazby, neboli příčné vazby, fungují jako spojovací body mezi proteiny, což umožňuje vylučované látce současně ztuhnout do gelu a přilepit se k mokrému povrchu.

Podobné vlastnosti příčných vazeb se nacházejí v mucinu – velkém proteinu, který je primární nevodnou složkou hlenu. Když Degen přišel na MIT, spolupracoval s McKinleym, profesorem strojírenství a expertem na materiálovou vědu a proudění tekutin, a Katharinou Ribbeck, profesorkou biologického inženýrství a vedoucí ve studiu hlenu, na vývoji příčně síťovaného lepidla, které by kombinovalo adhezivní vlastnosti škeblových plaků s antibakteriálními vlastnostmi hlenu.

Míchání vazeb

Výzkumníci z MIT se spojili s Haagem a jeho kolegy v Berlíně, kteří se specializují na syntézu bioinspirovaných materiálů. Haag a Ribbeck jsou členy kolaborativní výzkumné skupiny, která vyvíjí dynamické hydrogelové materiály pro bio-rozhraní. Haagova skupina vyrobila lepidla podobná škeblím, stejně jako hlenem inspirované kapaliny výrobou mikroskopických, vláknitých polymerů, které jsou podobné ve struktuře přírodním proteinům mucinu.

Ve své nové práci se výzkumníci zaměřili na chemický motiv, který se objevuje v lepidlech škeblí: vazbu mezi dvěma chemickými skupinami známými jako „katecholy“ a „thioly“. V přirozeném lepidle škeble, neboli placce, se tyto skupiny kombinují a tvoří katechol-thiol příčné vazby, které přispívají k soudržné pevnosti placky. Katecholy také zlepšují přilnavost škeble vazbou na povrchy, jako jsou skály a trupy lodí.

Zajímavé je, že thiolové skupiny jsou také rozšířené v proteinech mucinu. Degen se zamýšlel, zda by se škeblemi inspirované polymery mohly spojit s mucin thioly, což by umožnilo mucinům rychle přejít z kapaliny na lepkavý gel.

Aby ověřil tuto myšlenku, kombinoval roztoky přírodních proteinů mucinu se syntetickými škeblemi inspirovanými polymery a pozoroval, jak výsledná směs tuhne a přilne k povrchům v průběhu času.

„Je to jako dvoukomponentní epoxidové lepidlo. Kombinujete dvě kapaliny dohromady a začne probíhat chemická reakce, takže kapalina tuhne, zatímco se látka současně lepí na povrch,“ říká Degen.

„V závislosti na tom, kolik příčných vazeb máte, můžeme řídit rychlost, s jakou kapaliny gelují a přilnou,“ dodává Haag. „Můžeme to všechno dělat na mokrých površích, při pokojové teplotě a za velmi mírných podmínek. To je to, co je docela unikátní.“

Tým nanesl řadu kompozic mezi dva povrchy a zjistil, že výsledné lepidlo drželo povrchy pohromadě silami srovnatelnými s komerčními lékařskými lepidly používanými k slepování tkání. Vědci také testovali antibakteriální vlastnosti lepidla nanesením gelu na skleněné povrchy a inkubací s bakteriemi přes noc.

„Zjistili jsme, že pokud jsme měli holý skleněný povrch bez našeho povlaku, bakterie vytvořily silný biofilm, zatímco s naším povlakem byl biofilm do značné míry zabráněn,“ poznamenává Degen.

Tým říká, že s trochou ladění mohou dále zlepšit přilnavost lepidla. Pak by materiál mohl být silnou a ochrannou alternativou k existujícím lékařským lepidlům.

„Jsme nadšeni, že jsme vytvořili platformu pro návrh biomateriálů, která nám poskytuje tyto požadované vlastnosti gelace a adheze, a jako výchozí bod jsme prokázali některé klíčové biomedicínské aplikace,“ říká Degen. „Nyní jsme připraveni rozšířit se do různých syntetických a přírodních systémů a zaměřit se na různé aplikace.“

Tento výzkum byl částečně financován Národními instituty zdraví USA, Národní vědeckou nadací USA a Výzkumnou kanceláří armády USA.