Инженеры из Гарварда и других американских, китайских и ирландских университетов создали новый эффективный биологический адгезив, взяв за основу слизь слизней. Он состоит из двух частей — собственно, адгезивного слоя, и рассеивающей матрицы. Адгезив надежно крепится к тканям, переносит влажную среду и механические растяжения. Статья опубликована в Science.

Необходимость в биологических адгезивах связана, прежде всего, с медицинскими потребностями. Среди возможных применений биологических адгезивов — установка внутренних приборов, доставка лекарств в организм, обработка ран и склеивание разрывов внутренних органов. Отверстия и разрывы во внутренних органах, возникшие вследствие травм или других причин, требуют хирургического вмешательства. При этом физическое зашивание и скрепление иногда оказывается слишком грубой методикой, а искусственные адгезивы зачастую слишком токсичны или не выдерживают физическую нагрузку во влажных средах, а многие просто не способны двигаться, создавая слишком жесткие связи с поверхностью.

Ученые решили использовать в качестве модельного организма для разработки нового адгезива слизь слизня Arion subfuscus. Ему слизь необходима для скольжения по субстрату, также она несет защитные функции и участвует в процессах размножения (с ее помощью слизни крепят к поверхностям оплодотворенные яйца). Стоит отметить, что раньше уже разрабатывались адгезивы на основе «затворов» мидий, но у них оказалась слишком мала энергия адгезии (до десяти джоулей на квадратный метр), и к тканям они крепились слишком слабо.

Ученые создали адгезив, состоящий из двух частей — адгезивного слоя и рассеивающей матрицы. Адгезивный слой позволяет крепиться к поверхностям за счет электростатических взаимодействий и формирования ковалентных связей. Внутри него находятся положительно заряженные полимеры с первичными аминами. Матрица, также содержащая полимерные структуры, усиливает рассеяние энергии за счет гистерезиса (отставания фаз) под действием физической нагрузки.

Адгезив смачивает поверхности, взаимодействия с отрицательными зарядами тканей и клеток и формирует ковалентные связи, оставаясь, тем не менее, пластичным. Матрица позволяет сохранять адгезивные характеристики в условиях динамического стресса (механического движения органов).

В качестве кандидатных полимеров с аминами был протестирован ряд веществ, а в качестве тестируемой поверхности была использована, вначале, свиная кожа. Полиаллиламин и хитозан показали способность выдерживать очень высокие нагрузки (их энергия адгезии составляла более 1000 джоулей на квадратный метр), и дальше ученые работали с хитозаном. Как выяснилось, вес полимера почти не влиял на его адгезивные характеристики, главным фактором была его структура и концентрация. В качестве полимера для матрицы рассеяния был выбран альгинат-полиакриламид (Alg-PAAm), после того, как было подтверждено, что по отдельности эти вещества работали хуже, чем в сочетании.

Строение и работа адгезива. J. Li et al / Science, 2017

Адгезив был протестирован на свиной коже, артериях, сердце, печени и хрящах и продемонстрировал высокую способность к адгезии и удержанию во время механических нагрузок. Время на адгезию зависело от типа ткани, однако ученые подчеркивают, что мгновенная адгезия была бы вреднее с точки зрения биологических процессов тканей. Затем адгезивом заклеили отверстие в работающем свином сердце in vivo, при этом была продемонстрированы хорошие характеристики биосовместимости (которые измеряли по жизнеспособности фибробластов) и относительно малое развитие воспалительных процессов. Потери крови были весьма малы как по сравнению с незаклеенным контролем, так и по сравнению с искусственными адгезивами. Дополнительно адгезив тестировали на разрезанной печени крысы, где также удалось добиться положительных результатов.

Эксперименты по заклеиванию отверстия в свином сердце и разреза в крысиной печени. Справа отображены данные по давлению (с пластиковой подложкой и без) и по потерям крови TA (разработанного адгезива) по сравнению с контролем и с альтернативным адгезивом. J. Li et al / Science, 2017

А о том, как сердечную мышцу вырастили на адгезивном каркасе из шпината или о  переключаемых светом адгезивах-«гекконьих лапках» вы можете прочесть в других наших материалах.

Автор: Анна Казнадзей