Selv med moderne medicinske fremskridt forsegler læger stadig sår med teknikker, der tilsyneladende er mere passende til håndværkscirkler end operationsstuen: hæfteklammer, sysæt og lim. Takket være en ny opfindelse kan videnskaben om medicinske klæbemidler få en moderne modernisering. Forskere vendte bogstaveligt talt sten for at udtænke en ny super-stærk lim fra en usandsynlig kilde - snegle.
Relateret indhold
- En mere super superlim kan hjælpe med at opbygge gelélignende robotter
- Lim lavet af musling slim kan forhindre ardannelse
Den nuværende guldstandard i medicinske klæbemidler er ingen ringere end superlim. Den aktive forbindelse i superlim, cyanoacrylat, er det hårdeste stof derude, men at være stærk handler om alt, hvad det har at gøre med det. Superlim klæber ikke på våde overflader, hvilket har en tendens til at være et problem med blødende sår. Når den først er påført en tør overflade, størkner den straks i en stiv og uhindrende plast, der går i stykker i stedet for at bevæge sig med kroppen under heling. For at få det bedste, kan det være giftigt for levende celler.
”Nogle gange er det overraskende, er det ikke?” Siger David Mooney om de rustikke sutureringsmetoder, der er tilgængelige for læger. Mooney er professor i bioingeniørarbejde ved Harvard University, hvis forskning ser på den naturlige verden for at designe nye materialer til medicinske anvendelser. ”I løbet af den evolutionære proces er organismer nødt til at møde en række forskellige situationer, ” siger han. Det kan tage en million år, men i den tid kan en organisme finde den mest elegante og effektive måde at genopbygge en skal eller plette et sår på. Mennesker rækker efter en hæftekanon.
Mooney og hans team prøver at bringe lidt af dyrerigetets finess ind i menneskeskabte løsninger på problemer. De kalder det ”bioinspiration”. Jianyu Li, en postdoktor i Mooney's laboratorium, startede søgningen efter en eksemplarisk kandidat, der var en bastion af den styrke og fleksibilitet, der var nødvendig for at forsegle sår og redde liv i en kirurgisk ramme. Efter at have gennemgået litteraturen, ”[fandt vi] denne meget fantastiske væsen, ” siger Li. “Sluggen.”
Arion subfuscus er en almindelig orange slug, der lever i nordlige tempererede regioner rundt om i verden. Dets beskyttende slim har inspireret en ny medicinsk lim. (Wikimedia Commons) Arion subfuscus , den pågældende snegle, kan virke som en usandsynlig kandidat. Disse beskedne, rustne orange bløddyr fører et simpelt liv i haver og under bjælker i nordlige tempererede regioner rundt om i verden med tanke på deres egen forretning. Det vil sige, indtil noget rod med dem. Hvis en sulten rovdyr forsøger at tage en narring, detonerer sneglen en cache af forsvarsslim.
”Da jeg opdagede disse snegle og hentede en af dem, vidste jeg, at dette materiale var virkelig fantastisk, ” siger Andrew Smith, professor i biologi ved Ithaca College og ekspert i de biokemiske egenskaber ved bløddyrslim, der ikke var involveret i studiet . ”Det letter bogstaveligt talt bagfra af sluggen og sættes på få sekunder i en rigtig hård, elastisk gel, ” siger han.
”Det, der gør det spændende, er, at materialet er meget hårdt, ” siger Smith. Det kan strækkes mere end 10 gange sin egen længde, som et gummibånd, der ikke knipser. Det kan hærde, men forbliver fleksibelt. I modsætning til superlim, fungerer det på våde overflader. Og det er super, super klistret. Faktisk kæmper Smith stadig med at fjerne gabbet i laboratorieudstyret.
Transfixeret af slimet fra magten begyndte han at finde ud af, hvordan det fungerede.
”En typisk gel som Jell-o er stiv, men den er sprød - hvis du trykker på en ske på den, splitter den, ” siger Smith. Slugs har fundet ud af en måde at være stærk på, hvor gelatinøse desserter er svage. Han opdagede, at slimet er 97 procent vand, men vævet igennem med to forskellige polymerer. Den første er organiseret som et maskenet; det giver den stærke rygrad. Flokede gennem meshet er omfattende polymerkæder, der holder meshet sammen, når de strækkes over lange afstande. Denne såkaldte dobbeltmatrix er nøglen til styrken og fleksibiliteten i sneglens slim.
Derefter gør sneglene det hele klæbrigt ved at beklæde det med positivt ladede proteiner, der fungerer som atomisk velcro og binder det til de negative ladninger på vævsoverflader. Nettoresultatet? En mund fuld af uigennemtrængelig lim, når et rovdyr går ind for en sneglsnacks. Eller den perfekte inspiration til et nyt, ultra-stærkt medicinsk klæbemiddel.
Dette hårde klæbemiddel blev påført et svinehjerte og strakt for at vise den stærke vedhæftning og holdbarhed. (Kredit: Jianyu Li et al., Science 2017)Baseret på Smiths arbejde, der karakteriserede sneglslim, forsøgte Li at gentage dens egenskaber i et syntetisk klæbemiddel. Mooney og Li påpeger, at ingen havehuggere nogensinde vil blive skadet for at gøre deres opfindelse. ”Vi har ikke noget element af sneglslim i vores materiale, ” siger Mooney. ”Vi brugte det som inspiration.”
Efter et par års forsøg og fejl producerede Li en prototype, der perfekt efterlod sneglens holdbare dobbeltmatrixegenskaber, som de beskriver i en undersøgelse i dag i tidsskriftet Science . Det øverste lag er en hydrogel, der kan skæres til den nødvendige størrelse. Det andet lag påføres som væske på hydrogelen og aktiverer den kemiske binding. ”Det er Scotch-tape, der er knyttet til noget meget elastisk og kan bevæge sig let med væv, ” siger Mooney.
Det nye klæbemiddel rammer også det søde sted, når det kommer til timing i kirurgiske omgivelser. ”Det er ikke som, hvis du ved en fejltagelse berører den på din hud, den sidder fast, og du ikke kan få den væk, ” siger Mooney. Kirurger har cirka 10 sekunder på at få klæbemidlet på plads. Når klæbemidlet er indstillet, "kan rumme vævets stress og belastning", siger Li - stammer som et bankende hjerte, vejrtrækning og bevægelse.
Med en prototype satte teamet sit klæbemiddel på prøve. De udførte mekaniske strækningseksperimenter, brugte klæbemidlet til at plette op skadede rottelever og demonstrerede endda dens styrke ved at forsegle en stor mangel i et bankende grisehjerte. I hver prøve udgjorde deres snegleinspirerede klæbemiddel bedre end alle kommercielt tilgængelige produkter og bevægede sig fleksibelt med helbredende lever og pumpende hjerter, alt sammen uden toksicitet.
Holdets strategi om at se på naturen for at løse problemer er en værdi, der deles af Phillip Messersmith, en professor i bioingeniør- og materialevidenskab ved University of California Berkeley, hvis forskning bruger muslinger som bioinspiration til klæbemidler. ”Det er virkelig en meget vigtig undersøgelse, ” siger han. ”Meget godt udført og med vigtige konsekvenser for medicinske anvendelser.” Selvom Messersmith ikke havde nogen tekniske forbehold, bemærker han, at enhver fremtidig kirurgisk anvendelse kræver, at materialet er bionedbrydeligt.
Heldigvis er en biologisk nedbrydelig version af disse klæbemidler næste på docket. Med et verserende patent planlægger Li og Mooney også at vurdere, om deres opfindelse kunne bruges sikkert hos mennesker. ”Hos humane patienter er sikkerhed vigtigst, så der vil være langvarige studier for at have en høj grad af tillid til sikkerhed, ” siger Mooney. De udvikler også en version af klæbemidlet, der kan injiceres på steder, der er vanskelige at nå frem til, hvor der er behov for at lappe. Inspireret af en beskedent snegl under klipperne i din have ser det ud til, at himlen er grænsen for denne opfindelse.
”Vi har arbejdet med snegle i et stykke tid, og jeg har været virkelig overbevist om, at dette ville føre til noget godt, ” siger Smith. ”Jeg har altid følt, at denne snegle var bemærkelsesværdig og havde potentiale til at føre til virkelig nyttige lim, og wow - de viste virkelig.”
