Bioklæbende - Bioadhesive

Bioadhæsiver er naturlige polymere materialer, der fungerer som klæbemidler . Udtrykket bruges undertiden mere løst til at beskrive en lim dannet syntetisk af biologiske monomerer såsom sukkerarter eller at betyde et syntetisk materiale designet til at klæbe til biologisk væv .

Bioadhæsiver kan bestå af en række forskellige stoffer, men proteiner og kulhydrater er fremtrædende. Proteiner som gelatine og kulhydrater som stivelse er blevet brugt som lim til generelle formål i mange år, men typisk har deres præstationsmangler set dem erstattet af syntetiske alternativer. Meget effektive klæbemidler, der findes i den naturlige verden, undersøges i øjeblikket, men endnu ikke i udbredt kommerciel brug. For eksempel undersøges bioadhæsiver udskilt af mikrober og af marine bløddyr og krebsdyr med henblik på biomimik .

Bioadhæsiver er af kommerciel interesse, fordi de har tendens til at være biokompatible, dvs. nyttige til biomedicinske applikationer, der involverer hud eller andet kropsvæv. Nogle arbejder i våde miljøer og under vand, mens andre kan holde sig til lav overfladeenergi -upolære overflader som plast . I de senere år har den syntetiske klæbemiddelindustri været påvirket af miljøhensyn og sundheds- og sikkerhedsspørgsmål vedrørende farlige ingredienser, flygtige emissioner af organiske forbindelser og vanskeligheder ved genbrug eller formidling af klæbemidler, der er afledt af petrokemiske råvarer. Stigende oliepriser kan også stimulere kommerciel interesse for biologiske alternativer til syntetiske klæbemidler.

Eksempler på bioadhæsiver i naturen

Organismer kan udskille bioadhæsiver til brug ved fastgørelse, konstruktion og obstruktion samt til predation og forsvar. Eksempler omfatter deres anvendelse til:

Nogle bioadhæsiver er meget stærke. For eksempel opnår voksne havfiskes trækkræfter så høje som 2 MPa (2 N/mm 2 ). En lignende stærk, hurtigt vedhæftende lim - heks indeholder 171 forskellige proteiner og kan klæbe til våde, fugtige og urene overflader - produceres af den meget hårde limpeart Patella vulgata; dette klæbemateriale er et meget interessant emne for forskning inden for udvikling af kirurgiske klæbemidler og flere andre applikationer. Silke dope kan også bruges som lim af spindlere og insekter .

Polyfenoliske proteiner

Den lille familie af proteiner, der undertiden omtales som polyfenoliske proteiner, produceres af nogle marine hvirvelløse dyr som blåmuslingen, Mytilus edulis af nogle alger 'og af polychaete Phragmatopoma californica . Disse proteiner indeholder et højt niveau af en post-translationelt modificeret-oxideret-form for tyrosin, L-3,4-dihydroxyphenylalanin (levodopa, L-DOPA) samt disulfid (oxideret) form af cystein ( cystin ). I zebramuslingen ( Dreissena polymorpha ) lokaliserer to sådanne proteiner, Dpfp-1 og Dpfp-2, i krydset mellem byssus- tråde og klæbende plak. Tilstedeværelsen af ​​disse proteiner ser generelt ud til at bidrage til afstivning af de materialer, der fungerer som bioadhæsiver. Tilstedeværelsen af ​​dihydroxyphenylalanin -delen stammer fra virkning af en tyrosinhydroxylase -type enzym; in vitro er det blevet vist, at proteinerne kan krydsbindes (polymeriseres) ved anvendelse af en svamp tyrosinase .

Midlertidig vedhæftning

Organismer såsom limpets og hav stjerner bruger sug og slim -lignende slim at skabe Stefan vedhæftning , hvilket gør pull-off meget sværere end laterale træk; dette tillader både fastgørelse og mobilitet. Sporer, embryoner og juvenile former kan bruge midlertidige klæbemidler (ofte glycoproteiner ) for at sikre deres første vedhæftning til overflader, der er gunstige for kolonisering. Klæbrig og elastisk sekret, der fungerer som trykfølsomme klæbemidler , der danner umiddelbare vedhæftninger ved kontakt, foretrækkes i forbindelse med selvforsvar og rovdyr . Molekylære mekanismer omfatter ikke-kovalente vekselvirkninger og sammenfiltring af polymerkæder. Mange biopolymerer - proteiner, kulhydrater , glycoproteiner og mucopolysaccharider - kan bruges til at danne hydrogeler, der bidrager til midlertidig vedhæftning.

Permanent vedhæftning

Mange permanente bioadhæsiver (fx oothecal skum af Mantis ) genereres af en "mix at aktivere" proces, der involverer hærdning via covalent tværbinding. På ikke-polære overflader kan de klæbende mekanismer omfatter van der Waals-kræfter , hvorimod på polære overflader mekanismer såsom hydrogenbinding og binding til (eller danner broer via) metal kationer kan tillade højere stikning kræfter, der skal opnås.

  • Mikroorganismer bruger sure polysaccharider ( molekylmasse omkring 100.000 Da )
  • Havbakterier bruger kulhydrateksopolymerer til at opnå bindingsstyrker til glas på op til 500 000 N/m 2
  • Marine hvirvelløse dyr anvender normalt proteinbaserede lim til irreversibel vedhæftning. Nogle muslinger opnår 800 000 N/m 2 på polære overflader og 30 000 N/m 2 på ikke-polære overflader. Disse tal er afhængige af miljøet, muslinger i miljøer med store rovdyr har en øget vedhæftning til underlag. I miljøer med store rovdyr kan det kræve rovdyr 140% mere kraft for at fjerne muslinger
  • Nogle alger og marine hvirvelløse dyr bruger lecproteiner, der indeholder L-DOPA for at påvirke vedhæftning
  • Proteiner i mantis 'oothecal-skum er tværbundet kovalent af små molekyler relateret til L-DOPA via en garvningsreaktion , der katalyseres af catecholoxidase- eller polyphenoloxidaseenzymer .

L-DOPA er en tyrosinrest, der bærer en ekstra hydroxylgruppe . De to hydroxylgrupper i hver sidekæde konkurrerer godt med vand til binding til overflader, danner polære vedhæftede filer via hydrogenbindinger , og chelatere de metaller i mineralske overflader. Fe (L-DOPA 3 ) -komplekset kan selv stå for meget tværbinding og kohesion i muslingeplak , men derudover katalyserer jernet oxidation af L-DOPA til reaktive kinonfrie radikaler , som fortsætter med at danne kovalente bindinger.

Kommercielle applikationer

Shellac er et tidligt eksempel på et bioklæbemiddel, der kan bruges praktisk. Yderligere eksempler findes nu, med andre under udvikling:

  • Råvare træ klæbemiddel baseret på en bakteriel exopolysaccharid
  • USB PRF / Soy 2000 en handelsvare træ lim, der er 50% soja -hydrolysat og brillerer ved fingerskarvning grøn tømmer
  • Muslingsklæbende proteiner kan hjælpe med at fastgøre celler til plastoverflader i laboratoriecelle- og vævskultureksperimenter (se eksterne links)
  • Den Notaden frøen lim er under udvikling til biomedicinske anvendelser, fx som en kirurgisk lim til ortopædiske applikationer eller som en hæmostat
  • Mucosale drug delivery applikationer. For eksempel giver film af muslingeklæbende protein sammenlignelig mucoadhesion til polycarbophil , en syntetisk hydrogel, der bruges til at opnå effektiv lægemiddeltilførsel ved lave lægemiddeldoser. En øget opholdstid ved vedhæftning til slimhindeoverfladen, såsom i øjet eller næsen, kan føre til en forbedret absorption af lægemidlet.

Flere kommercielle produktionsmetoder undersøges:

  • Direkte kemisk syntese, f.eks. Inkorporering af L-DOPA-grupper i syntetiske polymerer
  • Fermentering af transgene bakterier eller gær , som udtrykker bioadhæsive protein -gener
  • Landbrug af naturlige organismer (små og store), der udskiller bioadhæsive materialer

Mucoadhesion

Et mere specifikt udtryk end bioadhæsion er mucoadhesion . De fleste slimhindeoverflader, såsom i tarmen eller næsen, er dækket af et lag slim . Adhæsion af et stof til dette lag kaldes derfor mucoadhesion. Slimklæbende midler er sædvanligvis polymerer indeholdende hydrogenbindingsgrupper, der kan anvendes i våde formuleringer eller i tørre pulvere til lægemiddelleveringsformål. Mekanismerne bag mucoadhesion er endnu ikke fuldstændigt belyst, men en generelt accepteret teori er, at der først skal etableres tæt kontakt mellem det mucoadhesive middel og slim, efterfulgt af indtrængning af den mucoadhesive polymer og mucin og afslutning med dannelse af sammenfiltringer og kemiske bindinger mellem makromolekylerne. I tilfælde af et tørt polymerpulver opnås den første vedhæftning sandsynligvis ved vandbevægelse fra slimhinden ind i formuleringen, hvilket også har vist sig at føre til dehydrering og styrkelse af slimlaget. Den efterfølgende dannelse af van der Waals, hydrogen og, i tilfælde af en positivt ladet polymer, elektrostatiske bindinger mellem mucinerne og den hydrerede polymer fremmer langvarig vedhæftning.

Referencer

Se også

Slim

eksterne links