Zelfs met de vooruitgang van de moderne geneeskunde verzegelen artsen wonden nog steeds met technieken die meer geschikt lijken voor ambachtelijke cirkels dan de operatiekamer: nietjes, naaisets en lijm. Dankzij een nieuwe uitvinding kan de wetenschap van medische kleefstoffen een moderne opknapbeurt krijgen. Onderzoekers hebben letterlijk stenen omgedraaid om een nieuwe supersterke lijm te bedenken uit een onwaarschijnlijke bron - naaktslakken.
gerelateerde inhoud
- Een meer superlijm kan helpen bij het bouwen van jelly-achtige robots
- Lijm gemaakt van mosselslijm kan littekens voorkomen
De huidige gouden standaard in medische lijmen is niemand minder dan superlijm. De actieve verbinding in superlijm, cyanoacrylaat, is de moeilijkste stof die er is, maar sterk zijn is ongeveer alles wat er voor nodig is. Superlijm plakt niet op natte oppervlakken, wat meestal een probleem is met bloedende wonden. Eenmaal aangebracht op een droog oppervlak, stolt het onmiddellijk in een stijf en onverzettelijk plastic dat breekt in plaats van met het lichaam te bewegen tijdens de genezing. Om dingen af te maken, kan het giftig zijn voor levende cellen.
"Soms is het verrassend, nietwaar?", Zegt David Mooney over de rustieke hechtmethoden die artsen ter beschikking staan. Mooney is een professor in bio-engineering aan de Harvard University, wiens onderzoek naar de natuurlijke wereld kijkt om nieuwe materialen voor medische toepassingen te ontwerpen. "Tijdens het evolutieproces moeten organismen in een aantal verschillende situaties worden geconfronteerd, " zegt hij. Het kan een miljoen jaar duren, maar in die tijd kan een organisme de meest elegante en effectieve manier vinden om een shell opnieuw op te bouwen of een wond te repareren. Mensen grijpen naar een nietpistool.
Mooney en zijn team proberen een beetje van de finesse van het dierenrijk te brengen in door de mens gemaakte oplossingen voor problemen. Ze noemen het 'bioinspiratie'. Jianyu Li, een postdoctorale fellow in het laboratorium van Mooney, ging op zoek naar een voorbeeldige kandidaat die een bastion was van de sterkte en flexibiliteit die nodig is om wonden te verzegelen en levens te redden in een chirurgische setting. Na het bestuderen van de literatuur, "[we] vonden dit zeer fantastische wezen, " zegt Li. "De slak."
Arion subfuscus is een veel voorkomende oranje slak die in noordelijke gematigde streken over de hele wereld leeft. Het beschermende slijm heeft een nieuwe medische lijm geïnspireerd. (Wikimedia Commons) Arion subfuscus , de betreffende slak, lijkt misschien een onwaarschijnlijke kandidaat. Deze bescheiden, roestige oranje weekdieren leiden een eenvoudig leven in tuinen en onder boomstammen in noordelijke gematigde regio's over de hele wereld, en houden zich bezig met hun eigen bedrijf. Dat wil zeggen, totdat er iets met hen rommelt. Als een hongerig roofdier probeert te knabbelen, ontploft de naaktslak een cache van defensief slijm.
"Toen ik deze naaktslakken ontdekte en een van hen oppakte, wist ik dat dit materiaal echt geweldig was", zegt Andrew Smith, een professor in de biologie aan het Ithaca College en een expert in de biochemische eigenschappen van weekdierenslijm die niet bij de studie betrokken was . "Het sijpelt letterlijk van de achterkant van de naaktslak en zet in seconden in een echt taaie, elastische gel, " zegt hij.
"Wat het opwindend maakt, is dat het materiaal erg taai is", zegt Smith. Het kan meer dan 10 keer zijn eigen lengte worden uitgerekt, zoals een rubberen band die niet breekt. Het kan uitharden, maar blijft flexibel. In tegenstelling tot superlijm werkt het op natte oppervlakken. En het is super, super plakkerig. Smith worstelt zelfs nog steeds om zijn laboratoriumapparatuur te ontploffen.
Verlamd door de kracht van het slijm ging hij op zoek naar hoe het werkte.
"Een typische gel zoals Jell-o is stijf, maar het is broos - als je er op een lepel op drukt, splitst het, " zegt Smith. De naaktslakken hebben een manier gevonden om sterk te zijn waar gelatineuze desserts zwak zijn. Hij ontdekte dat het slijm 97 procent water is, maar doorweven met twee verschillende polymeren. De eerste is georganiseerd als een gaasnet; het biedt de sterke ruggengraat. Door het gaas heen zijn uitgebreide polymeerketens die het gaas bij elkaar houden wanneer ze over lange afstanden worden uitgerekt. Deze zogenaamde dubbele matrix is de sleutel tot de sterkte en flexibiliteit van het slijm van de slak.
Dan maken de naaktslakken het hele ding plakkerig door het te bekleden met positief geladen eiwitten die zich gedragen als atoomklittenband en het binden aan de negatieve ladingen op weefseloppervlakken. Het netto resultaat? Een mond vol ondoordringbare lijm wanneer een roofdier gaat voor een slak snack. Of, de perfecte inspiratie voor een nieuwe, ultrasterke medische lijm.
Deze taaie lijm werd op een varkenshart aangebracht en uitgerekt om de sterke hechting en duurzaamheid te tonen. (Credit: Jianyu Li et al., Science 2017)Gebaseerd op het werk van Smith dat het slakkenlijm kenmerkt, wilde Li zijn eigenschappen repliceren in een synthetische lijm. Mooney en Li wijzen erop dat tuincritters nooit zullen worden geschaad om hun uitvinding te doen. "We hebben geen enkel element van slakkenlijm in ons materiaal, " zegt Mooney. "We gebruikten het als inspiratie."
Na een paar jaar van vallen en opstaan, produceerde Li een prototype dat de duurzame dubbele matrixeigenschappen van de naaktslak perfect nabootste, die ze beschrijven in een studie die vandaag in het tijdschrift Science wordt gepubliceerd . De bovenste laag is een hydrogel die op de benodigde grootte kan worden gesneden. De tweede laag wordt als vloeistof op de hydrogel aangebracht en activeert de chemische binding. "Het is plakband dat is bevestigd aan iets heel elastisch en dat gemakkelijk kan bewegen met tissues, " zegt Mooney.
De nieuwe kleefstof raakt ook de sweet spot als het gaat om timing in een chirurgische setting. "Het is niet alsof je het per ongeluk tegen je huid drukt, het zit vast en je kunt het er niet af krijgen, " zegt Mooney. Chirurgen hebben ongeveer 10 seconden om de lijm op zijn plaats te krijgen. Eenmaal uitgehard, kan de kleefstof de stress en spanning opvangen die de weefsels ervaren, zegt Li - verrekkingen zoals een kloppend hart, ademhaling en beweging.
Met een prototype testte het team de lijm. Ze voerden mechanische strekexperimenten uit, gebruikten de lijm om gewonde rattenlevertjes te repareren en toonden zelfs de kracht ervan om een groot defect in een kloppend varkenshart af te dichten. In elke proef overtrof hun op slak geïnspireerde kleefstof alle in de handel verkrijgbare producten, en bewoog flexibel met genezende levers en pompende harten, allemaal zonder duidelijke toxiciteit.
De strategie van het team om naar de natuur te kijken om problemen op te lossen, wordt gedeeld door Phillip Messersmith, een professor in de bio-engineering en materiaalwetenschappen aan de Universiteit van Berkeley, wiens onderzoek mosselen gebruikt als bio-inspiratie voor kleefstoffen. "Het is echt een heel belangrijke studie, " zegt hij. "Zeer goed uitgevoerd en met belangrijke implicaties voor medische toepassingen." Hoewel Messersmith geen technische bedenkingen had, merkt hij op dat voor toekomstige chirurgische toepassingen het materiaal biologisch afbreekbaar moet zijn.
Gelukkig is een biologisch afbreekbare versie van deze lijmen de volgende op het vat. Met patent aangevraagd, zijn Li en Mooney ook van plan om te beoordelen of hun uitvinding veilig bij mensen kan worden gebruikt. "Bij menselijke patiënten is veiligheid van het grootste belang, dus er zullen langetermijnstudies zijn om een hoog niveau van vertrouwen in veiligheid te hebben, " zegt Mooney. Ze ontwikkelen ook een versie van de lijm die kan worden geïnjecteerd op moeilijk bereikbare plaatsen die moeten worden opgelapt. Geïnspireerd door een bescheiden naaktslak onder de rotsen in je tuin, lijkt het de hemel te zijn voor deze uitvinding.
"We werken al een tijdje aan de naaktslakken en ik heb er alle vertrouwen in dat dit tot iets goeds zou leiden", zegt Smith. "Ik heb altijd het gevoel gehad dat deze naaktslak opmerkelijk was en potentieel kon leiden tot echt bruikbare lijmen, en wauw - ze toonden het echt."
