Ett icke-toxiskt lim modellerat efter limproteiner som produceras av musslor och andra varelser har visat sig utföra kommersiellt tillgängliga produkter, pekar mot potentiella kirurgiska lim för att ersätta suturer och häftklamrar.

Mer än 230 miljoner större operationer utförs över hela världen varje år, och över 12 miljoner traumatiska sår behandlas bara i USA. Cirka 60 procent av dessa sår stängs med hjälp av mekaniska metoder som suturer och häftklamrar.

"Suturer och häftklamrar har flera nackdelar jämfört med lim, inklusive patientens obehag, högre risk för infektion och den inneboende skadan på omgivande frisk vävnad, sa Julie Liu, en docent i kemiteknik och biomedicinsk teknik vid Purdue University.

De flesta lim fungerar inte bra i fuktiga miljöer eftersom vatten stör vidhäftningsprocessen. Även om det är utmanande att utveckla lim som löser detta problem, lim för medicinska tillämpningar måste uppfylla ett ytterligare krav:de måste vara giftfria och biokompatibla, också.

"Nuvarande biomedicinska limteknologier uppfyller inte dessa behov, " sa hon. "Vi designade ett bioinspirerat proteinsystem som visar löfte om att uppnå biokompatibel undervattensvidhäftning i kombination med ett miljövänligt beteende som är "smart", ' vilket betyder att den kan ställas in för att passa en specifik applikation."

I ansträngningarna att utveckla bättre alternativ, forskare har inspirerats av naturliga lim. Specifikt, undervattensapplicering och bindning har visats med material baserade på organismer som sandslottsmaskar och musslor. Båda producerar proteiner som innehåller aminosyran 3, 4- dihydroxifenylalanin, eller DOPA, som har visat sig ge vidhäftningsstyrka, även i våta miljöer.

Forskningsresultat beskrivs i ett forskningsdokument som publicerades i april i Biomaterial . Uppsatsen skrevs av doktoranden M. Jane Brennan; kandidatexamen Bridget F. Kilbride; Jonathan Wilker, en professor i kemi och materialteknik; och Liu.

Nuvarande FDA-godkända lim och tätningsmedel står inför flera utmaningar:många uppvisar giftiga egenskaper, vissa kan endast appliceras topiskt eftersom de bryts ned till cancerframkallande produkter; vissa härrör från blodkällor och har potential för blodburna patogenöverföringar såsom hepatit och HIV; och andra orsakar inflammation och irritation.

"Viktigare, dock, är att de flesta av dessa lim inte har tillräcklig vidhäftning i en alltför våt miljö och inte är godkända för applicering i sårtillslutning, " sa Liu. "Faktiskt, många av dessa material rekommenderar specifikt att torka applikationsområdet så mycket som möjligt."

Purdue-forskarna skapade ett nytt självhäftande material som heter ELY16, en "elastinliknande polypeptid, " eller ELP. Den innehåller elastin, ett mycket elastiskt protein som finns i bindväv, och tyrosin, en aminosyra. ELY16 modifierades genom att tillsätta enzymet tyrosinas, omvandlar tyrosin till den vidhäftande DOPA-molekylen och bildar mELY16.

Både ELY16 och mELY16 är inte giftiga för celler och fungerar bra under torra förhållanden. Modifiering med DOPA ökar vidhäftningsstyrkan i mycket fuktiga förhållanden. Dessutom, den modifierade versionen är "avstämbar" till varierande miljöförhållanden och kan vara konstruerad för att matcha egenskaperna hos olika vävnadstyper.

"Så vitt vi vet, mELY16 ger de starkaste bindningarna av alla konstruerade proteiner när de används helt under vatten, och dess höga utbyten gör det mer lönsamt för kommersiell användning jämfört med naturliga limproteiner, "Så det visar stor potential att bli ett nytt smart undervattenslim."

Limmet har också enastående biokompatibilitet tack vare användningen av humant elastin.

"Vårt mål var att efterlikna den typ av vidhäftning som musselhäftande proteiner har, och mycket annat arbete har fokuserat på att DOPA -molekylen är kritisk för denna vidhäftning, ", sa Liu. "Vi upptäckte att när de självhäftande materialen exponerades för stora mängder fukt, proteiner som innehåller DOPA hade en mycket högre vidhäftningsstyrka jämfört med okonverterade proteiner som endast innehöll tyrosin. Så, DOPA gav mycket starkare vidhäftning i våta miljöer. "

Att testa limmet i en mycket fuktig miljö är viktigt för att avgöra hur väl limmet kommer att fungera och härda i närvaro av fukt i biomedicinska applikationer.

Forskningen visade att mELY16 överträffade kommersiella lim inklusive ett FDA-godkänt tätningsmedel.

"Jämfört med detta tätningsmedel, våra proteiner med DOPA har betydligt högre vidhäftningsstyrkor, " sa Liu.

Elastinliknande polypeptider har den medfödda förmågan att "koacervera, " vilket får dem att separera i "två flytande faser, "den ena tätare och mer proteinrik än den andra, efterliknar vidhäftningsmekanismen som används av sandslottmaskar.

Elastinet ger denna koacervationsegenskap, vilket gör det möjligt att på ett enkelt sätt applicera limmet under vatten. Det är också ett flexibelt naturligt förekommande protein som finns i vävnader, och det har visats att elastinliknande polypeptider kan "tvärbindas, "eller förstärkt för att ändra styvhet för att efterlikna mjuka vävnader.

"Denna elastinliknande polypeptid kan produceras i höga utbyten från Escherichia coli och kan 'koacervera' som svar på miljöfaktorer som temperatur, pH, och salthalt, "sa hon." Eftersom proteinet kommer att samhärda i ett varmt flytande bad, bildas en tät proteinrik fas. Denna proteinrika fas innehåller vårt limmaterial i koncentrerad form, och eftersom det är tätare än vatten, det skingras inte."

Forskarna testade polymeren med musceller som kallas NIH/3T3-fibroblaster. Dessa celler används ofta i forskning för att bedöma toxicitet genom att undersöka hur väl celler överlever och växer när de utsätts för nya material. För att testa biokompatibilitet, forskarna mätte livsdugligheten hos NIH/3T3-fibroblaster odlade i 48 timmar direkt på ett lager av ELY16, mELY16, och en kontroll. I alla grupper, lönsamheten var större än 95 procent.

Framtida forskning kommer att omfatta arbete med att optimera formuleringen av limmet och utföra tester med naturmaterial.

"Vi startade våra tester med aluminiumsubstrat eftersom det är lättare att uppnå reproducerbara resultat med aluminium, " sa Liu. "Men, om vi är intresserade av biomedicinska tillämpningar, vi måste testa substrat som mer liknar mjuka vävnader i kroppen, och dessa substrat är mer utmanande att arbeta med."