Superstarker Bio-Klebstoff unterstützt Wundheilung
Die Natur als Vorbild: Bei der Entwicklung eines neuartigen Bio-Klebstoffs haben sich Forscher vom Schleim einer Nacktschneckenart inspirieren lassen. Der Klebstoff weist im Gegensatz zu herkömmlichen medizinischen Klebstoffen vielfältige Vorzüge auf.
Wer jemals versucht hat, ein Wundpflaster auf die Haut zu kleben, wenn sie feucht ist, weiß, dass dieser Vorgang frustrierend sein kann. Nasse Haut ist nicht die einzige Herausforderung für medizinische Klebstoffe – der menschliche Körper ist voll von Blut, Serum und anderen Flüssigkeiten, die die Reparatur zahlreicher innerer Verletzungen komplizieren. Viele der heute verwendeten Klebstoffprodukte sind toxisch für Zellen, unflexibel, wenn sie trocknen und nicht stark genug, um biologisches Gewebe zu binden.
Zwei Eigenschaften vereint
Ein Team von Forschern des Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering und der John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) an der Harvard University (SEAS) haben einen superstarken, harten Klebstoff entwickelt, der biokompatibel ist und auch bei Nässe an Gewebe mit einer Stärke bindet, die vergleichbar mit dem körpereigenen elastischen Knorpelgewebe ist. „Das Hauptmerkmal unseres Materials ist die Kombination einer sehr starken Haftkraft und der Fähigkeit, Beanspruchung zu übertragen und abzuleiten, die noch nie in einem einzigen Klebstoff vereint wurden“, sagt Dave Mooney, Professor für Bioengineering am SEAS.
Schleim als Abwehr gegen Feinde
Als die Forscher darüber nachdachten, wie man medizinische Klebstoffe verbessern kann, fanden sie die Lösung in einer Schnecke. Die Braune Wegschnecke (Arion subfuscus), die in Europa und Teilen der USA vorkommt, scheidet eine besondere Art von Schleim ab, wenn sie bedroht wird, der sie an Ort und Stelle festklebt, sodass es für ein Raubtier schwierig ist, sie von der Oberfläche zu befreien. Dieser Leim besteht aus einer starken Matrix mit positiv geladenen Proteinen, der die Wissenschaftler dazu inspirierte, ein doppelschichtiges Hydrogel zu entwickeln, das aus einer Alginat-Polyacrylamid-Matrix besteht, die eine Klebeschicht mit positiv geladenen Polymeren aufweist, die aus der Oberfläche herausragen.
Was den Klebstoff so stark macht
Die Polymere verbinden sich mit zwei Mechanismen an biologisches Gewebe – elektrostatische Anziehung auf negativ geladenen Zelloberflächen und kovalente Bindungen zwischen benachbarten Atomen und physikalische Durchdringung – wodurch der Klebstoff extrem stark wird. In der Matrixschicht befindet sich Kalzium, das über ionische Bindungen an das Alginat-Hydrogel gebunden ist. Wenn der Klebstoff beansprucht wird, brechen diese „Opfers“-Ionenbindungen zuerst, sodass die Matrix eine große Menge an Energie absorbieren kann, bevor ihre Struktur beeinträchtigt wird. Bei experimentellen Versuchen war mehr als das Dreifache der Energie erforderlich, um die Haftung des harten Klebstoffs im Vergleich zu anderen medizinischen Klebstoffen zu zerstören, und wenn er gebrochen war, was auch geschah, war das Hydrogel selbst, nicht die Bindung zwischen dem Klebstoff und dem Gewebe betroffen.
Praxistests beweisen extreme Härte
Die Forscher testeten ihre Klebstoffe auf einer Vielzahl von trockenen und feuchten Schweinegeweben, einschließlich Haut, Knorpel, Herz, Arterie und Leber, und fanden heraus, dass sie an allem mit deutlich größerer Stärke als andere medizinische Klebstoffe gebunden waren. Der harte Klebstoff behauptete auch seine Stabilität und Bindung, wenn er Ratten für zwei Wochen implantiert wurde, oder wenn er verwendet wurde, um ein Loch in einem Schweinherz abzudichten, das mechanisch aufgeblasen und entleert wurde und dann Zehntausenden von Zyklen des Streckens ausgesetzt wurde.
Material zersetzt sich nach der Anwendung
Ein solches Hochleistungsmaterial hat zahlreiche Einsatzmöglichkeiten im medizinischen Bereich, entweder als Pflaster oder als injizierbare Lösung für tiefere Verletzungen. Es kann auch verwendet werden, um medizinische Geräte an ihre Zielstrukturen anzubringen, wie z. B. einen Aktuator, um die Herzfunktion zu unterstützen. „Diese Familie von harten Klebstoffen hat weitreichende Anwendungen“, sagt Co-Autor Adam Celiz. „Wir können diese Klebstoffe aus biologisch abbaubaren Materialien herstellen, sodass sie sich zersetzen, sobald sie ihren Zweck erfüllt haben.“
Mehr zu der Studie lesen Sie in: Science, Vol. 357, Nr. 6349, 2017.