Биоадгезив
Биоадгезивы – это природные полимерные материалы, действующие как клеящие вещества . Этот термин иногда используется в более широком смысле для описания клея, полученного синтетически из биологических мономеров , таких как сахара , или для обозначения синтетического материала, предназначенного для прилипания к биологической ткани .
Биоадгезивы могут состоять из множества веществ, но особое место занимают белки и углеводы . Белки, такие как желатин , и углеводы, такие как крахмал, использовались человеком в качестве клеев общего назначения в течение многих лет, но, как правило, из-за недостатков в их эксплуатационных характеристиках их заменяли синтетическими альтернативами. В настоящее время исследуются высокоэффективные клеи, встречающиеся в природе. Например, биоадгезивы, выделяемые микробами, морскими моллюсками и ракообразными исследуются с целью биомимикрии . [ 1 ] Кроме того, тиолирование белков и углеводов позволяет этим полимерам ( тиомерам ) ковалентно прикрепляться, особенно к богатым цистеином субдоменам белков, таких как кератины или гликопротеины слизи, посредством образования дисульфидных связей. [ 2 ] Тиолированный хитозан и тиолированная гиалуроновая кислота используются в качестве биоадгезивов в различных лекарственных средствах. [ 3 ] [ 4 ]
Биоадгезивы в природе
[ редактировать ]Организмы могут выделять биоадгезивы для использования при прикреплении, строительстве и препятствовании, а также при хищничестве и защите. Примеры включают их использование для:
- Колонизация поверхностей (например , бактериями , водорослями , грибами , мидиями , ракушками , коловратками )
- мидий Биссальные нити
- Строительство трубок многощетинковыми червями, обитающими в подводных насыпях.
- Яйца . , личинки или куколки насекомых прикрепляются к поверхностям (растительности, камням) и пробкам для спаривания насекомых
- хозяину Прикрепление кровососущими к клещами
- Строительство гнезд некоторыми насекомыми, а также некоторыми рыбами (например, трехиглой колюшкой )
- Защита лягушками Notaden и морскими огурцами
- Поимка добычи паутиной . и бархатными червями
Некоторые биоадгезивы очень сильны. Например, взрослые ракушки достигают силы отрыва до 2 МПа (2 Н/мм). 2 ). Столь же прочный, быстро прилипающий клей, содержащий 171 различный белок и способный прилипать к влажным, влажным и загрязненным поверхностям, производится очень твердым материалом. [ 5 ] [ 6 ] вид блюдечек Patella vulgata ; этот клейкий материал является очень интересным предметом исследований при разработке хирургических клеев и некоторых других применений. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] Шелковый пряд также может использоваться паукообразными и насекомыми в качестве клея .
Полифенольные белки
[ редактировать ]Небольшое семейство белков, которые иногда называют полифенольными белками, вырабатывается некоторыми морскими беспозвоночными, такими как голубая мидия Mytilus edulis. [ 10 ] какими-то водорослями ' [ нужна ссылка ] и полихетой Phragmatopoma Californica . [ 11 ] Эти белки содержат высокий уровень посттрансляционно модифицированной — окисленной — формы тирозина, L-3,4-дигидроксифенилаланина (леводопы, L-ДОФА). [ 11 ] а также дисульфидная (окисленная) форма цистеина ( цистин ). [ 10 ] У дрейссены ( Dreissena polymorpha ) два таких белка, Dpfp-1 и Dpfp-2, локализуются в месте соединения между нитями биссуса и адгезивной бляшкой. [ соответствующий? ] [ 12 ] [ соответствующий? ] Присутствие этих белков, как правило, способствует повышению жесткости материалов, действующих как биоадгезивы. [ 13 ] [ нужна ссылка ] Присутствие дигидроксифенилаланинового фрагмента возникает в результате действия тирозингидроксилазы ; фермента типа [ нужна ссылка ] in vitro было показано, что белки можно сшивать (полимеризовать) с помощью грибной тирозиназы . [ соответствующий? ] [ 14 ]
Временная адгезия
[ редактировать ]Такие организмы, как блюдечки и морские звезды, используют всасывание и слизеподобную слизь для создания адгезии по Стефану , что делает отрыв гораздо труднее, чем боковое сопротивление; это обеспечивает как крепление, так и мобильность. Споры, эмбрионы и ювенильные формы могут использовать временные клеящие вещества (часто гликопротеины ) для обеспечения первоначального прикрепления к поверхностям, благоприятным для колонизации. Липкие и эластичные выделения, действующие как чувствительные к давлению клеи , образующие немедленные прикрепления при контакте, предпочтительнее в контексте самообороны и нападения хищников . 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
[ редактировать ]Этот раздел нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( июнь 2014 г. ) |
Многие перманентные биоадгезивы (например, оотекальная пена богомола ) производятся в результате процесса «смешивания для активации», который включает затвердевание посредством ковалентного сшивания. На неполярных поверхностях механизмы адгезии могут включать силы Ван-дер-Ваальса , тогда как на полярных поверхностях такие механизмы, как водородная связь и связывание (или образование мостиков) с металлов катионами , могут позволить достичь более высоких сил прилипания.
- Микроорганизмы используют кислые полисахариды ( молекулярная масса около 100 000 Да ). [ нужна ссылка ]
- Морские бактерии используют углеводные экзополимеры для достижения прочности связи со стеклом до 500 000 Н/м. 2 [ нужна ссылка ]
- Морские беспозвоночные обычно используют клей 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 [ нужна ссылка ] эта численность зависит от окружающей среды, мидии в средах с высоким уровнем хищничества имеют повышенную привязанность к субстрату. В условиях большого количества хищников хищникам может потребоваться на 140% больше силы, чтобы выбить мидии. [ 15 ]
- Некоторые водоросли и морские беспозвоночные используют лекпротеины , содержащие L-ДОФА, для эффекта адгезии. [ нужна ссылка ]
- Белки в отекальной пене богомола ковалентно сшиваются небольшими молекулами, связанными с L-ДОФА, посредством реакции дубления , которая катализируется ферментами катехолоксидазы или полифенолоксидазы . [ нужна ссылка ]
L-ДОФА представляет собой остаток тирозина , несущий дополнительную гидроксильную группу. Двойные гидроксильные группы в каждой боковой цепи хорошо конкурируют с водой за связывание с поверхностями, образуют полярные соединения посредством связей и хелатируют металлы водородных на минеральных поверхностях. Комплекс Fe(L-DOPA 3 ) сам по себе может обеспечивать значительную степень сшивки и сплоченности бляшек мидий . [ 16 ] но, кроме того, железо катализирует окисление L-ДОФА. [ 17 ] к реакционноспособным свободным хиноновым радикалам , которые затем образуют ковалентные связи. [ 18 ]
Приложения
[ редактировать ]Биоадгезивы представляют коммерческий интерес, поскольку они, как правило, биосовместимы, т.е. полезны для биомедицинских применений, связанных с кожей или другими тканями 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 индустрию синтетических клеев повлияли экологические проблемы , а также проблемы со здоровьем и безопасностью, связанные с опасными ингредиентами, выбросами летучих органических соединений , а также трудностями при переработке или восстановлении клеев, полученных из нефтехимического сырья. Рост цен на нефть может также стимулировать коммерческий интерес к биологическим альтернативам синтетическим клеям.
Шеллак — ранний пример биоадгезива, получившего практическое применение. В настоящее время существуют дополнительные примеры, а другие находятся в разработке:
- Товарный для древесины клей на основе бактериального экзополисахарида. [ 19 ]
- USB PRF/Soy 2000, товарный клей для древесины, который на 50% состоит из гидролизата сои и отлично подходит для сращивания зеленых пиломатериалов. [ 20 ]
- Адгезивные белки мидий могут помочь в прикреплении клеток к пластиковым поверхностям в лабораторных культурах клеток и тканей (см. Внешние ссылки). экспериментах на
- Клей Notaden Frog находится в стадии разработки для биомедицинского применения, например, в качестве хирургического клея для ортопедических применений или в качестве кровоостанавливающего средства.
- через слизистую оболочку Приложения для доставки лекарств . Например, пленки адгезивного белка мидий обеспечивают мукоадгезию, сравнимую с поликарбофилами . [ 21 ] синтетический гидрогель, используемый для достижения эффективной доставки лекарств при низких дозах лекарств. Увеличение времени пребывания за счет адгезии к поверхности слизистой оболочки, например, в глазах или носу, может привести к улучшению абсорбции лекарственного средства. [ нужна ссылка ]
- Длительная непрерывная визуализация различных органов (с помощью носимого биоадгезивного растягивающегося визуализации высокого разрешения пластыря для ультразвуковой , потенциально позволяющего использовать новые инструменты диагностики и мониторинга) [ 22 ]
В настоящее время исследуются несколько коммерческих методов производства:
- Прямой химический синтез, например, включение групп L-ДОФА в синтетические полимеры. [ 23 ]
- Ферментация трансгенных биоадгезивных белков . бактерий или дрожжей , экспрессирующих гены
- Выращивание природных организмов (маленьких и крупных), выделяющих биоадгезивные материалы.
Мукоадгезия
[ редактировать ]Более специфический термин, чем биоадгезия, — мукоадгезия . Большинство поверхностей слизистой оболочки, например, в кишечнике или носу, покрыты слоем слизи . Поэтому адгезия вещества к этому слою называется мукоадгезией. [ 24 ] Мукоадгезивные агенты обычно представляют собой полимеры, содержащие группы водородных связей, которые можно использовать во влажных составах или в сухих порошках для доставки лекарств. Механизмы мукоадгезии еще полностью не выяснены, но общепринятая теория состоит в том, что сначала должен быть установлен тесный контакт между мукоадгезивным агентом и слизью, после чего происходит взаимопроникновение мукоадгезивного полимера и муцина и заканчивается образованием спутываний и слизи. химические связи между макромолекулами. [ 25 ] В случае сухого полимерного порошка первоначальная адгезия, скорее всего, достигается за счет перемещения воды из слизистой оболочки в состав, что, как также было показано, приводит к обезвоживанию и укреплению слоя слизи. Последующее образование ван-дер-ваальса, водорода и, в случае положительно заряженного полимера, электростатических связей между муцинами и гидратированным полимером способствует пролонгированной адгезии. [ нужна ссылка ] [ 24 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Смит, А.М. и Кэллоу, Дж.А., ред. (2006) Биологические клеи. Шпрингер, Берлин. ISBN 978-3-540-31048-8
- ^ Лейхнер, К; Йелькманн, М; Бернкоп-Шнурх, А (2019). «Тиолированные полимеры: биоинспирированные полимеры, использующие одну из наиболее важных мостиковых структур в природе». Обзоры расширенной доставки лекарств . 151–152: 191–221. doi : 10.1016/j.addr.2019.04.007 . ПМИД 31028759 . S2CID 135464452 .
- ^ Федерер, К; Курпирс, М; Бернкоп-Шнурх, А (2021). «Тиолированные хитозаны: универсальный класс полимеров для различных применений» . Биомакромолекулы . 22 (1): 24–56. doi : 10.1021/acs.biomac.0c00663 . ПМК 7805012 . ПМИД 32567846 .
- ^ Гриссер, Дж; Хетеньи, Г; Бернкоп-Шнурх, А (2018). «Тиолированная гиалуроновая кислота как универсальный мукоадгезивный полимер: от химии к разработке продуктов - каковы возможности?» . Полимеры . 10 (3): 243. doi : 10.3390/polym10030243 . ПМК 6414859 . ПМИД 30966278 .
- ^ Барбер, Аса Х.; Лу, Дун; Пуньо, Никола М. (2015). «У зубов блюдечка наблюдается чрезвычайная прочность» . Журнал интерфейса Королевского общества . 12 (105). дои : 10.1098/rsif.2014.1326 . ПМЦ 4387522 . ПМИД 25694539 . S2CID 1507479 .
- ^ Барбер, Аса Х.; Лу, Дун; Пуньо, Никола М. (2015). «У зубов блюдца наблюдается чрезвычайная прочность» . Журнал интерфейса Королевского общества . 12 (105). дои : 10.1098/rsif.2014.1326 . ПМЦ 4387522 . ПМИД 25694539 .
- ^ Канг, Виктор; Ленгерер, Биргит; Ваттиз, Радди; Фламманг, Патрик (2020). «Молекулярное понимание мощной адгезии блюд на основе слизи ( Patella vulgata L.)» . Открытая биология . 10 (6): 200019. doi : 10.1098/rsob.200019 . ПМЦ 7333891 . ПМИД 32543352 .
- ^ «Клеи: суперклейкая способность блюдечка» .
- ^ Канг, В.; Ленгерер, Б.; Ваттиз, Р.; Фламманг, П. (2020). «Молекулярное понимание мощной адгезии блюд на основе слизи ( Patella vulgata L.)» . Открытая биология . 10 (6): 200019. doi : 10.1098/rsob.200019 . ПМЦ 7333891 . ПМИД 32543352 .
- ^ Jump up to: а б Ржепецкий, Лешек М.; Хансен, Каролин М.; Уэйт, Дж. Герберт (август 1992 г.). «Характеристика богатого цистином семейства полифенольных белков из голубой мидии Mytilus edulis L». Биологический бюллетень . 183 (1): 123–137. дои : 10.2307/1542413 . JSTOR 1542413 . ПМИД 29304577 .
- ^ Jump up to: а б Дженсен, Ребекка А.; Морс, Дэниел Э. (1988). «Биоадгезив пробирок Phragmatopoma Californica : шелковистый цемент, содержащий L-ДОФА». Журнал сравнительной физиологии Б. 158 (3): 317–24. дои : 10.1007/BF00695330 . S2CID 25457825 .
- ^ Жепецкий, Л.М.; Уэйт, Дж. Х. (1993). «Биссус дрейссены, Dreissena polymorpha. II: Структура и полиморфизм семейств биссальных полифенольных белков». Молекулярная морская биология и биотехнология . 2 (5): 267–79. ПМИД 8180628 .
- ^ Жепецкий, Л.М.; Чин, СС; Уэйт, Дж. Х.; Лавин, МФ (1991). «Молекулярное разнообразие морских клеев: полифенольные белки пяти видов мидий». Молекулярная морская биология и биотехнология . 1 (1): 78–88. ПМИД 1845474 .
- ^ Бурцио, Луис А; Бурцио, Вероника А; Пардо, Джоэл; Бурцио, Луис О (2000). «Полимеризация in vitro полифенольных белков мидий, катализируемая грибной тирозиназой». Сравнительная биохимия и физиология Б . 126 (3): 383–9. дои : 10.1016/S0305-0491(00)00188-7 . ПМИД 11007180 .
- ^ Леонард Г.Х., Бертнесс, доктор медицины, Юндо П.О. Хищничество крабов, сигналы, передающиеся через воду, и индуцируемая защита у голубой мидии Mytilus edulis. Экология. 1999;80(1).
- ^ Север MJ; Вайссер, Дж. Т.; Монахан, Дж.; Шринивасан, С.; Уилкер, Дж.Дж. (2004)Металлоопосредованное сшивание при получении клея из морских мидий. Энджью. хим. Межд. Эд. 43 (4), 448-450
- ^ Монахан, Дж.; Уилкер, Дж. Дж. (2004) Сшивание белка-предшественника клеев морских мидий: объемные измерения и реагенты для отверждения. Ленгмюр 20 (9), 3724-3729
- ^ Деминг, TJ (1999) Биссус мидий и биомолекулярные материалы. Курс. Мнение. хим. Биол. 3 (1), 100-105
- ^ Комби Дж., Стил А. и Свейцер Р. (2004) Клей, созданный природой (и испытанный в Redstone Arsenal). Чистые технологии и экологическая политика 5 (4), 258-262. Абстрактный
- ^ Флаер USB [ постоянная мертвая ссылка ]
- ^ Шнуррер, Дж.; Лер, CM (1996)Мукоадгезивные свойства адгезивного белка мидий. Межд. Дж. Фармацевтика 141 (1-2), 251-256.
- ^ Ван, Чонхэ; Чен, Сяоюй; Ван, Лю; Макихата, Мицутоши; Лю, Сяо-Чуань; Чжоу, Тао; Чжао, Сюаньхэ (29 июля 2022 г.). «Биоадгезивный ультразвук для долговременной непрерывной визуализации различных органов» (PDF) . Наука . 377 (6605): 517–523. дои : 10.1126/science.abo2542 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 35901155 . S2CID 251158622 .
- Новостная статья: «Этот ультразвуковой пластырь позволит вам наблюдать за биением собственного сердца» . Новости науки . 28 июля 2022 г. Проверено 21 августа 2022 г.
- ^ Хуанг, К.; Ли, БП; Инграм, доктор медицинских наук; Мессерсмит, П.Б. (2002)Синтез и характеристика самособирающихся блок-сополимеров, содержащих биоадгезивные концевые группы. Биомакромолекулы 3 (2), 397-406
- ^ Jump up to: а б Джей Ди Смарт. Основы и механизмы 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 лекарственных средств через слизистую оболочку» . Дива .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- «Мидии вдохновляют на новые возможности хирургического клея». Статья ScienceDaily , декабрь 2007 г.
- о клее-лягушке История на телеканале ABC в научной программе Catalyst .
- «Морские водоросли — ключ к улучшению биомедицинских клеев», Биоматериалы для здравоохранения: десятилетие исследований, финансируемых ЕС [ постоянная мертвая ссылка ] , с. 23
- Диссертация по мукоадгезивным гелям.
- «Проект Марии Кюри по биоадгезии [1] с использованием книдарийской гидры в качестве модельных организмов.
- адгезив_протеин,_мидия Национальной медицинской библиотеки США в медицинских предметных рубриках (MeSH)