Traditionella medicinska lim som används i kirurgiska tillämpningar har ofta begränsad bioabsorberbarhet, hög toxicitet och bristande anpassningsbarhet, vilket leder till suboptimala kirurgiska resultat. De senaste framstegen inom syntetisk biologi erbjuder ett lovande alternativ – skräddarsydda biokompatibla och biologiskt nedbrytbara lim som är designade för specifika interna biomedicinska tillämpningar, såsom vävnadsreparation och för kirurgiska lim.
Forskare som arbetar med Fuzhong Zhang, professor i energi-, miljö- och kemiteknik vid McKelvey School of Engineering vid Washington University i St. Louis, tar sig an denna utmaning med en ny klass av hydrogeler konstruerade helt av proteiner.
Zhangs medarbetare inkluderar Marcus Foston, docent i energi, miljö &kemiteknik; Guy Genin, Harold och Kathleen Faught professor i maskinteknik; och Mohamed A. Zayed, docent i kirurgi och radiologi. Deras programmerbara design tillåter exakt kontroll över mekaniska och adhesiva egenskaper, vilket tar itu med begränsningarna hos syntetiska biolim. Forskningen publicerades i ACS Applied Materials &Interfaces .
"Detta arbete är ett av de första som bevisar att syntetisk biologi inte bara kan användas för att producera material utan också för att förstå materialsekvens-struktur-funktionsförhållanden", säger Juya Jeon, doktorand i Zhangs labb och första författare till studien .
"Våra hydrogeler är gjorda av artificiellt designade proteiner som aldrig har skapats tidigare. Dessa unika proteiner ger våra hydrogeler en kombination av fördelaktiga egenskaper, inklusive enastående mekaniska och undervattensadhesiva egenskaper samtidigt som de är bioabsorberbara och unikt anpassade för vävnadsreparation/tekniska tillämpningar. "
Teamets nya material bygger på tidigare studier från Zhangs labb på undervattenslim inspirerade av vattenmusslor och deras klibbiga musselfotsproteiner (Mfp). Jeon förbättrade det tidigare arbetet genom att noggrant kombinera silke-amyloidpeptider och Mfp till en silke-amyloid-musselfotsprotein (SAM) hydrogel.
Som en sorts molekylär kock justerade Jeon proportionerna mellan de två huvudingredienserna för att uppnå SAM-hydrogeler som kan finjusteras för att visa unika kombinationer av biokompatibilitet, bioabsorberbarhet, styrka, töjbarhet och undervattensvidhäftning till biologiska ytor.
Jeon utforskade också de invecklade sambanden mellan proteinsekvens och hydrogelegenskaper, vilket kommer att vara avgörande för att designa SAM-hydrogeler med skräddarsydda egenskaper för personliga medicinska reparationsapplikationer. Genom att tillverka SAM-hydrogeler med olika kombinationer av silke-amyloid och Mfps avslöjade Jeon och Zhang framgångsrikt komplexa samband mellan materialstruktur och egenskaper.
De fann att en ökning av silke-amyloid-upprepningar avsevärt förbättrade kohesiv styrka och seghet, samtidigt som en utökad Mfp-längd ökade ytvidhäftningen men minskade den totala styrkan. En variant av särskilt intresse visade exceptionell styrka, töjningsmotstånd och undervattensvidhäftning när den testades på en preklinisk modell.
"De sekvens-struktur-egenskapsrelationer som avslöjas i denna studie ger ovärderliga insikter för att vägleda den framtida designen av proteinlim med avstämbara egenskaper, vilket banar väg för skräddarsydda lim anpassade för specifika applikationer," sa Zhang.
"Denna studie markerar ett betydande steg framåt i jakten på säkrare, mer effektiva kirurgiska lim, som öppnar dörrar till en ny era av personliga biolim för olika medicinska behov. Den illustrerar också hur syntetisk biologi kan användas för att belysa komplexa molekylära relationer och tillverka avancerade biomaterial."
Mer information: Juya Jeon et al, genetiskt framställda proteinbaserade bioadhesiver med programmerbara materialegenskaper, ACS-tillämpade material och gränssnitt (2023). DOI:10.1021/acsami.3c12919
Journalinformation: ACS-tillämpade material och gränssnitt
Tillhandahålls av Washington University i St. Louis
