Биоадгезивы - это натуральные полимерные материалы, которые действуют как адгезивы . Этот термин иногда используется более свободно для описания клея, полученного синтетическим путем из биологических мономеров, таких как сахара , или для обозначения синтетического материала, предназначенного для прилипания к биологической ткани .
Биоадгезивы могут состоять из множества веществ, но белки и углеводы играют важную роль. Белки, такие как желатин, и углеводы, такие как крахмал , использовались человеком в качестве клея общего назначения в течение многих лет, но, как правило, из-за недостатков их характеристик они были заменены синтетическими альтернативами. Высокоэффективные клеи, встречающиеся в природе, в настоящее время исследуются, но еще не получили широкого коммерческого использования. Например, биоадгезивы, выделяемые микробами, морскими моллюсками и ракообразными , исследуются с целью биомимикрии . [1]
Биоадгезивы представляют коммерческий интерес, потому что они склонны быть биосовместимыми, то есть полезными для биомедицинских применений, затрагивающих кожу или другие ткани тела. Некоторые работают во влажной среде и под водой, в то время как другие могут придерживаться низкой поверхностной энергии - неполярные поверхности, такие как пластик . В последние годы [ когда? ] на промышленность синтетических клеев повлияли экологические проблемы, проблемы со здоровьем и безопасностью, связанные с опасными ингредиентами, выбросами летучих органических соединений , а также трудности с переработкой или восстановлением клеев, полученных из нефтехимического сырья. Рост нефтяных цен может также стимулировать коммерческий интерес в биологических альтернатив синтетических клеев.
Примеры биоадгезивов в природе
Организмы могут выделять биоадгезивы для использования в целях прикрепления, строительства и создания препятствий, а также для хищничества и защиты. Примеры [2] включают их использование для:
- Колонизация поверхностей (например, бактерий , водорослей , грибов , мидий , ракушек , коловраток )
- Моллюска byssal темы
- Строительство трубок полихетами , обитающими в подводных насыпях.
- Яйцо насекомых , прикрепление личинок или куколок [3] к поверхностям (растительность, камни) и спаривания насекомых.
- Узел крепления по крови -УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПОДАЧИ клещами
- Строительство гнезд некоторыми насекомыми, а также некоторыми рыбами (например, трехиглой колюшей ).
- Защита лягушками Notaden и морскими огурцами
- Поимка добычи в паутине и бархатных червях
Некоторые биоадгезивы очень сильны. Например, взрослые ракушки достигают отрывной силы до 2 МПа (2 Н / мм 2 ). Шелковый дурман также может использоваться в качестве клея для паукообразных и насекомых .
Полифенольные белки
Небольшое семейство белков, которые иногда упоминается как полифенольные белки получают некоторые морские беспозвоночные , такие как мидии, Mytilus гриба [4] некоторые водорослями ' [ править ] , а полихетная Phragmatopoma саЩогтса . [5] Эти белки содержат высокий уровень посттрансляционно модифицированной - окисленной - формы тирозина, L-3,4-дигидроксифенилаланина (леводопа, L-DOPA) [5], а также дисульфидной (окисленной) формы цистеина. ( цистин ). [4] В мидии данио ( Dreissena polymorpha ) два таких белка, Dpfp-1 и Dpfp-2, локализуются в месте соединения нитей биссуса и адгезивной бляшки. [ актуально? ] [6] [ актуально? ] Присутствие этих белков, как правило, способствует повышению жесткости материалов, функционирующих как биоадгезивы. [7] [ необходима цитата ] Присутствие дигидроксифенилаланиновой части является результатом действия фермента типа тирозингидроксилазы ; [ цитата необходима ] in vitro было показано, что белки могут быть сшиты (полимеризованы) с использованием грибной тирозиназы . [ актуально? ] [8]
Временная адгезия
Организмы, такие как тарелки и морские звезды, используют всасывающие и похожие на слизь слизи для создания сцепления Стефана , что делает отрывание намного сложнее, чем боковое сопротивление; это позволяет как привязанность, так и мобильность. Споры, эмбрионы и ювенильные формы могут использовать временные адгезивы (часто гликопротеины ) для обеспечения их первоначального прикрепления к поверхностям, благоприятным для колонизации. Липкие и эластичные выделения, которые действуют как чувствительные к давлению клеи , образуя немедленные прикрепления при контакте, предпочтительны в контексте самообороны и хищничества . Молекулярные механизмы включают нековалентные взаимодействия и перепутывание полимерных цепей. Многие биополимеры - белки, углеводы , гликопротеины и мукополисахариды - могут использоваться для образования гидрогелей, которые способствуют временной адгезии.
Постоянная адгезия
Многие постоянные биоадгезивы (например, оотекальная пена богомола ) образуются с помощью процесса «смесь для активации», который включает отверждение посредством ковалентного поперечного сшивания. На неполярных поверхностях адгезивные механизмы могут включать ван - дер - ваальсовых сил , тогда как на полярных поверхностях механизмов , таких как водородного связывания и связывания с (или образуя мосты через) металлические катионы могут позволить более прилипание силы должны быть достигнуты.
- Микроорганизмы используют кислые полисахариды ( молекулярная масса около 100 000 Да ) [ необходима ссылка ]
- Морские бактерии используют экзополимеры углеводов для достижения прочности сцепления со стеклом до 500 000 Н / м 2 [ необходима ссылка ]
- Морские беспозвоночные обычно используют клеи на белковой основе для необратимого прикрепления. Некоторые мидии достигают 800 000 Н / м 2 на полярных поверхностях и 30 000 Н / м 2 на неполярных поверхностях [ необходима цитата ], эти числа зависят от окружающей среды, мидии в средах с высоким уровнем хищничества имеют повышенное прикрепление к субстратам. В условиях высокой степени хищничества хищникам может потребоваться на 140% больше силы, чтобы вытеснить мидий [9]
- Некоторые водоросли и морские беспозвоночные используют лекпротеины , содержащие L-DOPA, для улучшения адгезии [ необходима ссылка ]
- Белки в oothecal пене богомола сшиты ковалентно с помощью небольших молекул , связанных с L-ДОФА посредством дубления реакции, которая катализируемой с помощью катехол оксидаз или полифенолоксидаза ферментов. [ необходима цитата ]
L-ДОФА представляет собой остаток тирозина, который несет дополнительную гидроксильную группу. Спаренные гидроксильные группы в каждой боковой цепи конкурирует хорошо с водой для связывания с поверхностями, образуют полярные вложения через водородные связи , и хелат на металлах в минеральных поверхностях. Комплекс Fe (L-DOPA 3 ) сам по себе может быть причиной значительного сшивания и когезии в зубном налете мидий [10], но, кроме того, железо катализирует окисление L-DOPA [11] до реактивных свободных радикалов хинона , которые продолжают с образованием ковалентных связей. [12]
Коммерческие приложения
Шеллак - один из первых примеров биоадгезива, нашедшего практическое применение. В настоящее время существуют дополнительные примеры, а другие находятся в разработке:
- Товарный клей для дерева на основе бактериального экзополисахарида [13]
- USB PRF / Soy 2000, товарный клей для древесины, который на 50% состоит из соевого гидролизата и отлично подходит для сращивания зеленых пиломатериалов [14]
- Адгезивные белки мидий могут помочь в прикреплении клеток к пластиковым поверхностям в лабораторных экспериментах на клеточных и тканевых культурах (см. Внешние ссылки)
- Notaden лягушка клей находится в стадии разработки для биомедицинских применений, например , в качестве хирургического клея для ортопедических приложений или в качестве кровоостанавливающего [15]
- Приложения для доставки лекарств через слизистые оболочки . Так , например, пленки из мидий адгезивного белка дают сопоставимую усиливающую к поликарбофилу , [16] синтетический гидрогель , используемый для достижения эффективной доставки лекарственного средства при низких дозах лекарственных средств. Увеличенное время пребывания за счет адгезии к поверхности слизистой оболочки, такой как глаз или нос, может привести к улучшенному всасыванию лекарственного средства. [ необходима цитата ]
Изучаются несколько коммерческих методов производства:
- Прямой химический синтез, например включение групп L-DOPA в синтетические полимеры [17]
- Брожение из трансгенных бактерий или дрожжей , которые экспрессируют белка биоадгезивных генов
- Разведение естественных организмов (мелких и крупных), выделяющих биоадгезивные материалы
Мукоадгезия
Более конкретный термин, чем биоадгезия, - это мукоадгезия . Большинство слизистых оболочек, например, кишечника или носа, покрыты слоем слизи . Следовательно, адгезия вещества к этому слою называется мукоадгезией. [18] Мукоадгезивные агенты обычно представляют собой полимеры, содержащие водородные связывающие группы, которые можно использовать во влажных составах или в сухих порошках для доставки лекарств. Механизмы, лежащие в основе мукоадгезии, еще полностью не выяснены, но общепринятая теория заключается в том, что сначала должен быть установлен тесный контакт между мукоадгезивным агентом и слизью, после чего следует взаимное проникновение мукоадгезивного полимера и муцина и завершение образованием сцеплений и химические связи между макромолекулами. [19] В случае сухого полимерного порошка начальная адгезия, скорее всего, достигается за счет движения воды от слизистой оболочки к препарату, что также приводит к обезвоживанию и укреплению слизистого слоя. Последующее образование ван-дер-ваальсова, водорода и, в случае положительно заряженного полимера, электростатических связей между муцинами и гидратированным полимером способствует длительной адгезии. [ необходима цитата ] [18]
Рекомендации
- ^ Смит, AM & Callow, JA, ред. (2006) Биологические клеи. Спрингер, Берлин. ISBN 978-3-540-31048-8
- ^ Graham, LD (2008) Биологические клеи от природы. В: Энциклопедия биоматериалов и биомедицинской инженерии , 2-е изд., Ред. Винек Г. и Боулин Г., Informa Healthcare, Нью-Йорк и Лондон, т. 1. С. 236-253.
- ^ Li, D., Huson, MG & Graham, LD (2008) Белковые адгезивные выделения насекомых и, в частности, клей для прикрепления яиц Opodiphthera sp. моль. Arch. Насекомое Biochem. Physiol. 69, 85-105. DOI : 10.1002 / arch.20267
- ^ а б Rzepecki, Leszek M .; Hansen, Karolyn M .; Уэйт, Дж. Герберт (август 1992 г.). «Характеристика семейства полифенольных белков, богатых цистином, из голубой мидии Mytilus edulis L.» Биологический бюллетень . 183 (1): 123–137. DOI : 10.2307 / 1542413 . JSTOR 1542413 . PMID 29304577 .
- ^ а б Дженсен, Ребекка А .; Морс, Дэниел Э. (1988). « Биоадгезив трубок Phragmatopoma californica : шелкоподобный цемент, содержащий L-DOPA». Журнал сравнительной физиологии B . 158 (3): 317–24. DOI : 10.1007 / BF00695330 . S2CID 25457825 .
- ^ Rzepecki, LM; Уэйт, JH (1993). «Биссус мидии данио, Dreissena polymorpha. II: Структура и полиморфизм семейств полифенольных белков биссала». Молекулярная морская биология и биотехнология . 2 (5): 267–79. PMID 8180628 .
- ^ Rzepecki, LM; Чин, СС; Уэйт, JH; Лавин, М.Ф. (1991). «Молекулярное разнообразие морских клеев: полифенольные белки пяти видов мидий». Молекулярная морская биология и биотехнология . 1 (1): 78–88. PMID 1845474 .
- ^ Бурцио, Луис А; Бурцио, Вероника А; Пардо, Джоэл; Бурцио, Луис О (2000). «Полимеризация полифенольных белков мидий in vitro, катализируемая тирозиназой грибов». Сравнительная биохимия и физиология Б . 126 (3): 383–9. DOI : 10.1016 / S0305-0491 (00) 00188-7 . PMID 11007180 .
- ^ Леонард GH, Бертнесс MD, Юндо PO. Хищничество крабов, сигналы, передаваемые через воду, и индуцируемая защита у синей мидии Mytilus edulis. Экология. 1999; 80 (1).
- ^ Север MJ; Weisser, JT; Monahan, J .; Srinivasan, S .; Wilker, JJ (2004) Металл-опосредованное поперечное сшивание в создании адгезива морских мидий. Энгью. Chem. Int. Эд. 43 (4), 448-450
- ^ Monahan, J .; Вилкер, Дж. Дж. (2004) Сшивание предшественника белка клеев из морских мидий: объемные измерения и реагенты для отверждения. Ленгмюра 20 (9), 3724-3729
- ^ Деминг, Т.Дж. (1999) Биссус мидий и биомолекулярные материалы. Curr. Opin. Chem. Биол. 3 (1), 100-105
- ^ Комби, Дж., Стил, А. и Свитцер, Р. (2004) Клей, созданный самой природой (и испытанный в Redstone Arsenal). Чистые технологии и экологическая политика 5 (4), 258-262. Абстрактный
- ^ Флаер USB [ постоянная неработающая ссылка ]
- ^ Грэм, LD; Glattauer, V .; Huson, MG; Максвелл, JM; Knott, RB; Белый, JW; Воган, PR; Peng, Y .; Тайлер, MJ; Werkmeister, JA; Рамшоу, Дж. А. (2005) Характеристика адгезивного эластомера на основе белка, секретируемого австралийской лягушкой Notaden bennetti . Биомакромолекулы 6, 3300-12. Абстрактный
- ^ Schnurrer, J .; Lehr, CM (1996) Мукоадгезивные свойства адгезивного белка мидий. Int. J. Pharmaceutics 141 (1-2), 251-256
- ^ Хуанг, К .; Ли, ВР; Ингрэм, Д.Р .; Messersmith, PB (2002) Синтез и характеристика самособирающихся блок-сополимеров, содержащих биоадгезивные концевые группы. Биомакромолекулы 3 (2), 397-406
- ^ а б Дж. Д. Смарт. Основы и механизмы, лежащие в основе мукоадгезии. Adv Drug Deliv Rev.57: 1556-1568 (2005).
- ^ Хэгерстрем, Хелен (2003). «Полимерные гели как фармацевтические лекарственные формы: реологические характеристики и физико-химические взаимодействия на границе раздела гель-слизь для составов, предназначенных для доставки лекарств через слизистые оболочки» . Примадонна .
Внешние ссылки
- «Мидии вдохновляют на новые возможности хирургического клея». Статья ScienceDaily , декабрь 2007 г.
- История клея лягушки в научной программе телеканала ABC Catalyst .
- «Морские водоросли являются ключом к созданию лучших биомедицинских адгезивов», Биоматериалы для здравоохранения: десятилетие исследований, финансируемых ЕС [ постоянная мертвая ссылка ] , стр. 23
- Диссертация о мукоадгезивных гелях.
- "Проект Марии Кюри по биоадгезии [1] с использованием книдариевой гидры в качестве модельных организмов".
- адгезивный_протеин, _mussel в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)