Alla som någonsin har försökt ta på sig ett plåster när huden är fuktig vet att det kan vara frustrerande. Våt hud är inte den enda utmaningen för medicinska lim - människokroppen är full av blod, serum, och andra vätskor som komplicerar reparationen av många inre skador. Många av de limprodukter som används idag är giftiga för celler, oflexibel när de torkar, och binder inte starkt till biologisk vävnad. Ett team av forskare från Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering och John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) vid Harvard University har skapat ett superstarkt "segt lim" som är biokompatibelt och binder till vävnader med en styrka jämförbar med kroppens eget spänstiga brosk, även när de är blöta.

"Nyckelegenskapen hos vårt material är kombinationen av en mycket stark vidhäftningskraft och förmågan att överföra och avleda stress, som historiskt sett inte har integrerats i ett enda lim, " säger motsvarande författare Dave Mooney, Ph.D., som är en av de grundläggande Core -fakultetsmedlemmarna vid Wyss Institute och Robert P. Pinkas familjeprofessor i bioteknik vid SEAS.

Forskningen redovisas i veckans nummer av Vetenskap .

När första författaren Jianyu Li, Ph.D. (tidigare postdoktor vid Wyss Institute och nu biträdande professor vid McGill University) började fundera på hur man kan förbättra medicinska lim, han hittade en lösning på en osannolik plats:en snigel. The Dusky Arion (Arion subfuscus), vanligt i Europa och delar av USA, utsöndrar en speciell typ av slem när det hotas som klistrar fast det, vilket gör det svårt för ett rovdjur att bända bort det från ytan. Detta lim var tidigare bestämt att bestå av en seg matris pepprad med positivt laddade proteiner, vilket inspirerade Li och hans kollegor att skapa en dubbelskiktad hydrogel som består av en alginat-polyakrylamidmatris som stöder ett limskikt som har positivt laddade polymerer som sticker ut från dess yta.

Polymererna binder till biologiska vävnader via tre mekanismer - elektrostatisk attraktion till negativt laddade cellytor, kovalenta bindningar mellan närliggande atomer, och fysisk inträngning - vilket gör limmet extremt starkt. Men matrisskiktet är lika viktigt, säger Li:"De flesta tidigare materialdesigner har bara fokuserat på gränssnittet mellan vävnaden och limmet. Vårt lim kan avleda energi genom sitt matrisskikt, vilket gör att den kan deformeras mycket mer innan den går sönder." Teamets design för matrisskiktet inkluderar kalciumjoner som är bundna till alginathydrogelen via jonbindningar. När stress appliceras på limmet, dessa "uppoffrande" jonbindningar bryts först, tillåta matrisen att absorbera en stor mängd energi innan dess struktur äventyras. I experimentella tester, mer än tre gånger energin behövdes för att störa det hårda limmets vidhäftning jämfört med andra lim av medicinsk kvalitet och, när det gick sönder, det som misslyckades var själva hydrogelen, inte bindningen mellan limmet och vävnaden, uppvisar en oöverträffad nivå av samtidig hög vidhäftningsstyrka och matrisseghet.

Forskarna testade sitt lim på en mängd olika både torra och våta grisvävnader inklusive hud, brosk, hjärta, artär, och lever, och fann att det band till dem alla med betydligt större styrka än andra medicinska lim. Det sega limmet bibehöll också sin stabilitet och vidhäftning när det implanterades i råttor i två veckor, eller när det användes för att täta ett hål i ett grishjärta som mekaniskt blåstes upp och tömdes på luft och sedan utsattes för tiotusentals cykler av stretching. Dessutom, det orsakade ingen vävnadsskada eller vidhäftningar till omgivande vävnader när den applicerades på en leverblödning hos möss - biverkningar som observerades med både superlim och ett kommersiellt trombinbaserat lim.

Ett sådant högpresterande material har många potentiella tillämpningar inom det medicinska området, antingen som ett plåster som kan skäras till önskad storlek och appliceras på vävnadsytor eller som en injicerbar lösning för djupare skador. Den kan också användas för att fästa medicinsk utrustning på sina målstrukturer, såsom ett ställdon för att stödja hjärtfunktionen. "Denna familj av tuffa lim har många användningsområden, " säger medförfattaren Adam Celiz, Ph.D., som nu är föreläsare vid Institutionen för bioingenjör, Imperial College London. "Vi kan göra dessa lim av biologiskt nedbrytbara material, så de sönderfaller när de har tjänat sitt syfte. Vi skulle till och med kunna kombinera denna teknik med mjuk robotik för att göra klibbiga robotar, eller med läkemedel för att göra ett nytt fordon för läkemedelsleverans."

"Naturen har ofta redan hittat eleganta lösningar på vanliga problem; det handlar om att veta var man ska leta och känna igen en bra idé när man ser en, " säger Wyss grundare Donald Ingber, som också är Judah Folkman professor i vaskulär biologi vid Harvard Medical School och Vascular Biology Program vid Boston Children's Hospital, samt professor i bioteknik vid Harvards School of Engineering and Applied Sciences. "Vi är glada över att se hur denna teknik, inspirerad av en ödmjuk snigel, kan utvecklas till en ny teknik för kirurgisk reparation och sårläkning."