Una supercolla a base di muco corporeo

Gli scienziati del Massachusetts Institute of Technology (USA) e della Freie Universität hanno combinato una miscela di proteine mucillaginose e appiccicose per produrre un adesivo per applicazioni biomediche.

 

 

Un team internazionale di ingegneri del MIT e del Collaborative Research Center “Dynamic Hydrogels at Biointerfaces”, situato presso la Freie Universität Berlin, ha sviluppato un nuovo tipo di colla che combina l’appiccicosità impermeabile delle placche delle cozze con le proprietà a prova di germi di un altro materiale naturale: il muco.

La nuova colla derivata dal muco ha impedito l’accumulo di batteri mantenendo la sua tenuta appiccicosa, anche su superfici bagnate.

I ricercatori prevedono che una volta ottimizzate le proprietà della colla, potrebbe essere applicata come liquido per iniezione o spray, che poi si solidificherebbe in un gel appiccicoso.

Il materiale potrebbe essere utilizzato per rivestire impianti medici, ad esempio, per prevenire infezioni e accumulo di batteri. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

All’interno del regno animale, le cozze sono maestre nell’adesione subacquea.

I molluschi marini si raggruppano in cima alle rocce e lungo il fondo delle navi e sono in grado di resistere alle onde dell’oceano grazie a una colla subacquea, o placca, che secernono attraverso il piede.

Queste tenaci strutture adesive hanno spinto gli scienziati negli ultimi anni a progettare adesivi bioispirati e impermeabili simili.

Ogni superficie del nostro corpo non ricoperta di pelle è rivestita da uno strato protettivo di muco, una rete viscida di proteine che funge da barriera fisica contro batteri e altri agenti infettivi.

Nel loro nuovo lavoro, gli ingegneri hanno combinato polimeri appiccicosi ispirati alle cozze con proteine derivate dal muco, o mucine, per formare un gel appiccicoso che aderisce fortemente alle superfici.

Il nuovo approccio del team alla produzione di colla potrebbe anche essere regolato per incorporare altri materiali naturali, come la cheratina, una sostanza fibrosa che si trova nelle piume e nei capelli, con alcune caratteristiche chimiche simili a quelle del muco.

“Le applicazioni del nostro approccio alla progettazione dei materiali dipenderanno dai materiali precursori specifici”, afferma George Degen, ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT.

“Ad esempio, i materiali derivati dal muco o ispirati al muco potrebbero essere utilizzati come adesivi biomedici multifunzionali che prevengono anche le infezioni. In alternativa, l’applicazione del nostro approccio alla cheratina potrebbe consentire lo sviluppo di materiali di imballaggio sostenibili”.

Un articolo che descrive in dettaglio i risultati del team è stato pubblicato negli Atti della National Academy of Sciences. I coautori di Degen al MIT includono Corey Stevens, Gerardo Cárcamo-Oyarce, Jake Song, Katharina Ribbeck e Gareth McKinley, insieme a Raju Bej, Peng Tang e Rainer Haag della Freie Universität Berlin.

La collaborazione internazionale fa parte del lavoro del Collaborative Research Center “Dynamic Hydrogels at Biointerfaces”, di cui Katharina Ribbeck e Rainer Haag sono membri.

Prima di arrivare al MIT, Degen è stato uno studente laureato presso l’Università della California, Santa Barbara, dove ha lavorato in un gruppo di ricerca che studiava i meccanismi adesivi nelle cozze.

“Le cozze sono in grado di depositare materiali che aderiscono alle superfici bagnate in pochi secondi o minuti”, afferma Degen. “Questi materiali naturali fanno meglio degli adesivi esistenti in commercio, in particolare nell’aderire a superfici bagnate e subacquee, che è stata una sfida tecnica di lunga data”.

Per attaccarsi a una roccia o a una nave, le cozze secernono un fluido ricco di proteine.

I legami chimici, o legami incrociati, agiscono come punti di connessione tra le proteine, consentendo alla sostanza secreta di solidificarsi simultaneamente in un gel e di aderire a una superficie bagnata.

Si dà il caso che caratteristiche di reticolazione simili si trovino nella mucina, una proteina che è il principale componente non acquoso del muco.

Quando Degen arrivò al MIT, lavorò sia con McKinley, professore di ingegneria meccanica ed esperto di scienza dei materiali e flusso dei fluidi, sia con Katharina Ribbeck, professoressa di ingegneria biologica e leader nello studio del muco, per sviluppare una colla reticolante che combinasse le qualità adesive delle placche di cozza con le proprietà di blocco dei batteri del muco.

I ricercatori del MIT hanno collaborato con Haag e colleghi di Berlino, specializzati nella sintesi di materiali bioispirati.

Haag e Ribbeck sono membri di un gruppo di ricerca collaborativo che sviluppa idrogel dinamici per biointerfacce.

Il gruppo di Haag ha realizzato adesivi simili a cozze e liquidi ispirati al muco, producendo polimeri microscopici simili a fibre che sono simili nella struttura alle proteine naturali della mucina.

Per il loro nuovo lavoro, i ricercatori si sono concentrati su un motivo chimico che appare negli adesivi per cozze: un legame tra due gruppi chimici noti come “catecoli” e “tioli”.

Nella “colla” naturale della cozza, o placca, questi gruppi si combinano per formare legami incrociati catecolo-tiolo che contribuiscono alla forza coesiva della placca.

I catecoli migliorano anche l’adesione di una cozza legandosi a superfici come rocce e scafi di navi.

È interessante notare che i gruppi tiolici sono prevalenti anche nelle proteine della mucina.

Degen si è chiesto se i polimeri ispirati alle cozze potessero legarsi ai tioli della mucina, consentendo alle mucine di trasformarsi rapidamente da un liquido a un gel appiccicoso.

Per testare questa idea, ha combinato soluzioni di proteine naturali della mucina con polimeri sintetici ispirati alle cozze e ha osservato come la miscela risultante si solidificasse e si attaccasse alle superfici nel tempo.

“È come una resina epossidica in due parti, in cui si combinano due liquidi insieme, e la chimica inizia a verificarsi dove il liquido si solidifica, mentre la sostanza si incolla contemporaneamente alla superficie”, dice Degen.

“A seconda della quantità di reticolazione disponibile, possiamo controllare la velocità con cui i liquidi si gelificano e aderiscono”, aggiunge Haag.

“Possiamo fare tutto questo su superfici bagnate, a temperatura ambiente e in condizioni molto miti. Questo è ciò che è davvero unico”.

Il team ha depositato varie miscele tra due superfici e ha scoperto che l’adesivo risultante teneva insieme le superfici con forze paragonabili agli adesivi medici commerciali utilizzati per l’incollaggio dei tessuti.

I ricercatori hanno anche testato le proprietà di blocco dei batteri dell’adesivo depositando il gel sulle superfici di vetro e incubandole con i batteri durante la notte.

«Abbiamo scoperto che se avevamo una superficie di vetro nuda senza il nostro rivestimento adesivo, i batteri formavano un biofilm spesso, mentre con il nostro rivestimento, i biofilm venivano in gran parte prevenuti», osserva Degen.

Il team afferma che con un po’ di messa a punto, possono migliorare ulteriormente la tenuta dell’adesivo. Quindi, il materiale potrebbe essere un’alternativa forte e protettiva agli adesivi medici esistenti.

“Siamo entusiasti di aver creato una piattaforma di progettazione dei materiali che ci offre queste proprietà desiderabili di gelificazione e adesione e, come punto di partenza, abbiamo dimostrato le principali applicazioni biomediche”, afferma Degen. “Ora siamo pronti ad espanderci in diversi sistemi sintetici e naturali e a puntare su diverse applicazioni”.

Questa ricerca è stata finanziata in parte dal National Institutes of Health, dalla National Science Foundation e dall’Army Research Office.

Immagine: Di Andrew Butko, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2839444