stringtranslate.com

Биоадгезив

Биоклеящие вещества — это натуральные полимерные материалы, которые действуют как клеи . Термин иногда используется более свободно для описания клея, образованного синтетически из биологических мономеров, таких как сахара , или для обозначения синтетического материала, предназначенного для прилипания к биологической ткани .

Биоадгезивы могут состоять из различных веществ, но белки и углеводы занимают видное место. Белки, такие как желатин , и углеводы, такие как крахмал, использовались человеком в качестве клеев общего назначения в течение многих лет, но обычно их недостатки производительности приводили к замене их синтетическими альтернативами. Высокоэффективные клеи, обнаруженные в естественном мире, в настоящее время изучаются. Например, биоадгезивы, выделяемые микробами и морскими моллюсками и ракообразными, исследуются с целью биомимикрии . [1] Кроме того, тиолирование белков и углеводов позволяет этим полимерам ( тиомерам ) ковалентно прилипать, 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

Организмы могут выделять биоадгезивы для использования в прикреплении, строительстве и препятствовании, а также в хищничестве и обороне. Примеры включают их использование для:

Некоторые биоклеи очень прочны. Например, взрослые ракушки достигают силы отрыва до 2 МПа (2 Н/мм 2 ). Аналогичный прочный, быстро прилипающий клей, содержащий 171 различных белков и способный прилипать к влажным, сырым и нечистым поверхностям, вырабатывается очень твердым [5] [6] видом моллюсков Patella vulgata ; этот клейкий материал является очень интересным предметом исследований в области разработки хирургических клеев и ряда других применений. [7] [8] [9] Шелковый гель также может использоваться в качестве клея паукообразными и насекомыми .

Полифенольные белки

Небольшое семейство белков, которые иногда называют полифенольными белками, вырабатывается некоторыми морскими беспозвоночными, такими как мидия Mytilus edulis [10] , некоторыми водорослями [ требуется ссылка ] и полихетой Phragmatopoma californica . [11] Эти белки содержат высокий уровень посттрансляционно модифицированной — окисленной — формы тирозина, L-3,4-дигидроксифенилаланина (леводопа, L-ДОФА) [11] , а также дисульфидной (окисленной) формы цистеина ( цистина ). [10] У зебровой мидии ( Dreissena polymorpha ) два таких белка, Dpfp-1 и Dpfp-2, локализуются в месте соединения нитей биссуса и адгезивной бляшки. [ актуально? ] [12] [ актуально? ] Присутствие этих белков, как правило, способствует повышению жесткости материалов, функционирующих как биоадгезивы. [13] [ необходима цитата ] Присутствие дигидроксифенилаланиновой части возникает в результате действия фермента типа тирозингидроксилазы ; [ необходима цитата ] in vitro было показано, что белки могут быть сшиты (полимеризованы) с использованием грибной тирозиназы . [ релевантно? ] [14]

Временная адгезия

Такие организмы, как блюдечки и морские звезды, используют всасывание и слизеподобные слизи для создания адгезии Стефана , что делает отрывание намного сложнее, чем боковое сопротивление; это обеспечивает как прикрепление, так и подвижность. Споры, эмбрионы и молодые формы могут использовать временные адгезивы (часто гликопротеины ) для обеспечения своего первоначального прикрепления к поверхностям, благоприятным для колонизации. Липкие и эластичные выделения, которые действуют как чувствительные к давлению адгезивы , образуя немедленные прикрепления при контакте, предпочтительны в контексте самозащиты и хищничества . Молекулярные механизмы включают нековалентные взаимодействия и запутывание 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 ) генерируются в процессе «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 механизмы, такие как водородные связи и связывание с (или образование мостиков через) катионами металлов, могут позволить достичь более высоких сил прилипания. [ необходима цитата ]

L-ДОФА — это остаток тирозина , который несет дополнительную гидроксильную группу. Двойные гидроксильные группы в каждой боковой цепи хорошо конкурируют с водой за связывание с поверхностями, образуют полярные присоединения через водородные связи и хелатируют металлы на минеральных поверхностях. Комплекс Fe(L-ДОФА 3 ) сам по себе может отвечать за большую часть сшивки и сцепления в бляшках мидий , [16] но, кроме того, железо катализирует окисление L-ДОФА [17] до реактивных свободных радикалов хинона , которые затем образуют ковалентные связи. [18]

Приложения

Биоклеи представляют коммерческий интерес, поскольку они, как правило, биосовместимы, т. е. полезны для биомедицинских применений, связанных с кожей или другими тканями тела. Некоторые из них работают во влажных средах и под водой, в то время как другие могут прилипать к низкой поверхностной энергии – неполярным поверхностям, таким как пластик . В последние годы [ когда? ] на отрасль синтетических клеев повлияли экологические проблемы и проблемы со здоровьем и безопасностью, связанные с опасными ингредиентами, выбросами летучих органических соединений и трудностями в переработке или восстановлении клеев, полученных из нефтехимического сырья. Рост цен на нефть также может стимулировать коммерческий интерес к биологическим альтернативам синтетическим клеям.

Шеллак — ранний пример биоадгезива, примененного на практике. Сейчас существуют и другие примеры, а другие находятся в разработке:

В настоящее время изучаются несколько коммерческих методов производства:

Мукоадгезия

Более специфическим термином, чем биоадгезия, является мукоадгезия . Большинство слизистых поверхностей, таких как в кишечнике или носу, покрыты слоем слизи . Адгезия вещества к этому слою, следовательно, называется мукоадгезией. [24] Мукоадгезионные агенты, как правило, представляют собой полимеры, содержащие водородные связывающие группы, которые могут использоваться во влажных составах или в сухих порошках для доставки лекарств. Механизмы, лежащие в основе мукоадгезии, еще не полностью выяснены, но общепринятая теория заключается в том, что сначала должен быть установлен тесный контакт между мукоадгезивным агентом и слизью, за которым следует взаимопроникновение мукоадгезивного полимера и муцина и завершение образованием сплетений и химических связей между макромолекулами. [25] В случае сухого полимерного порошка начальная адгезия, скорее всего, достигается за счет перемещения воды из слизистой в состав, что также, как было показано, приводит к дегидратации и укреплению слоя слизи. Последующее образование ван-дер-ваальсовых, водородных и, в случае положительно заряженного полимера, электростатических связей между муцинами и гидратированным полимером способствует длительной адгезии. [ необходима цитата ] [24]

Смотрите также

Слизь

Ссылки

  1. ^ Смит, А. М. и Кэллоу, Дж. А., ред. (2006) Биологические клеи. Springer, Берлин. ISBN  978-3-540-31048-8
  2. ^ Leichner, C; Jelkmann, M; Bernkop-Schnürch, A (2019). «Тиолированные полимеры: биоинспирированные полимеры, использующие одну из самых важных мостиковых структур в природе». Advanced Drug Delivery Reviews . 151–152: 191–221. doi :10.1016/j.addr.2019.04.007. PMID  31028759. S2CID  135464452.
  3. ^ Федерер, К.; Курпирс, М.; Бернкоп-Шнурх, А. (2021). «Тиолированные хитозаны: многофункциональный класс полимеров для различных применений». Биомакромолекулы . 22 (1): 24–56. doi :10.1021/acs.biomac.0c00663. PMC 7805012. PMID 32567846  . 
  4. ^ Griesser, J; Hetényi, G; Bernkop-Schnürch, A (2018). «Тиолированная гиалуроновая кислота как универсальный мукоадгезивный полимер: от химии до разработки продуктов — каковы возможности?». Полимеры . 10 (3): 243. doi : 10.3390/polym10030243 . PMC 6414859. PMID  30966278 . 
  5. ^ Барбер, Аса Х.; Лу, Дун; Пуньо, Никола М. (2015). «Чрезвычайная прочность, наблюдаемая в зубах моллюсков». Журнал интерфейса Королевского общества . 12 (105). doi :10.1098/rsif.2014.1326. PMC 4387522. PMID 25694539.  S2CID 1507479  . 
  6. ^ Барбер, Аса Х.; Лу, Дун; Пуньо, Никола М. (2015). «Чрезвычайная прочность, наблюдаемая в зубах моллюсков». Журнал интерфейса Королевского общества . 12 (105). doi :10.1098/rsif.2014.1326. PMC 4387522. PMID  25694539 . 
  7. ^ 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. 
  8. ^ "Klebstoffe: Die Superhaftkraft der Napfschnecke" .
  9. ^ 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. 
  10. ^ ab Rzepecki, Leszek M.; Hansen, Karolyn M.; Waite, J. Herbert (август 1992 г.). «Характеристика семейства полифенольных белков, богатых цистеином, из голубой мидии Mytilus edulis L.» Biological Bulletin . 183 (1): 123–137. doi :10.2307/1542413. JSTOR  1542413. PMID  29304577.
  11. ^ ab Jensen, Rebecca A.; Morse, Daniel E. (1988). «Биоадгезив трубок Phragmatopoma californica : шёлкоподобный цемент, содержащий L-ДОФА». Журнал сравнительной физиологии B. 158 ( 3): 317–24. doi :10.1007/BF00695330. S2CID  25457825.
  12. ^ Rzepecki, LM; Waite, JH (1993). "Биссус дрейссены Dreissena polymorpha. II: Структура и полиморфизм семейств полифенольных белков биссуса". Молекулярная морская биология и биотехнология . 2 (5): 267–79. PMID  8180628.
  13. ^ Rzepecki, LM; Chin, SS; Waite, JH; Lavin, MF (1991). «Молекулярное разнообразие морских клеев: полифенольные белки из пяти видов мидий». Молекулярная морская биология и биотехнология . 1 (1): 78–88. PMID  1845474.
  14. ^ Бурцио, Луис А.; Бурцио, Вероника А.; Пардо, Джоэл; Бурцио, Луис О. (2000). «Полимеризация полифенольных белков мидий in vitro, катализируемая грибной тирозиназой». Сравнительная биохимия и физиология B. 126 ( 3): 383–9. doi :10.1016/S0305-0491(00)00188-7. PMID  11007180.
  15. ^ Леонард ГХ, Бертнесс МД, Юндо ПО. Хищничество крабов, водные сигналы и индуцируемая защита у мидий Mytilus edulis. Экология. 1999;80(1).
  16. ^ Sever MJ; Weisser, JT; Monahan, J.; Srinivasan, S.; Wilker, JJ (2004) Металлоопосредованное сшивание при образовании клея морских мидий. Angew. Chem. Int. Ed. 43 (4), 448-450
  17. ^ Монахан, Дж.; Вилкер, Дж. Дж. (2004) Сшивание предшественника белка клея морских мидий: объемные измерения и реагенты для отверждения. Ленгмюр 20 (9), 3724-3729
  18. ^ Деминг, Т.Дж. (1999) Биссус мидий и биомолекулярные материалы. Curr. Opin. Chem. Biol. 3 (1), 100-105
  19. ^ Комби, Дж., Стил, А. и Швейцер, Р. (2004) Клей, созданный природой (и испытанный в Редстоун Арсенале). Чистые технологии и политика в области охраны окружающей среды 5 (4), 258-262. Аннотация
  20. ^ Флаер USB [ постоянная неработающая ссылка ]
  21. ^ Шнуррер, Дж.; Лер, CM (1996) Мукоадгезивные свойства адгезивного белка мидий. Int. J. Pharmaceutics 141 (1-2), 251-256
  22. ^ Ван, Чунхэ; Чэнь, Сяоюй; Ван, Лю; Макихата, Мицутоши; Лю, Сяо-Чуань; Чжоу, Тао; Чжао, Сюаньхэ (29 июля 2022 г.). «Биоадгезивный ультразвук для долгосрочной непрерывной визуализации различных органов» (PDF) . Science . 377 (6605): 517–523. doi :10.1126/science.abo2542. ISSN  0036-8075. PMID  35901155. S2CID  251158622.
    • Новостная статья: «Этот наклеиваемый ультразвуковой пластырь позволит вам наблюдать за собственным сердцебиением». Science News . 28 июля 2022 г. . Получено 21 августа 2022 г. .
  23. ^ Хуанг, К.; Ли, Б.П.; Ингрэм, Д.Р.; Мессерсмит, П.Б. (2002) Синтез и характеристика самоорганизующихся блок-сополимеров, содержащих биоадгезивные концевые группы. Биомакромолекулы 3 (2), 397-406
  24. ^ ab JD Smart. Основы и глубинные механизмы мукоадгезии. Adv Drug Deliv Rev. 57:1556-1568 (2005)
  25. ^ Хегерстрём, 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 слизистую оболочку». Diva .

Внешние ссылки