Una supercolla ricavata dal muco del corpo stesso
Una miscela di proteine viscide e appiccicose combinata
Un team di ricerca internazionale del Massachusetts Institute of Technology (MIT) negli Stati Uniti e del Centro di ricerca collaborativo "Dynamic Hydrogels at Biointerfaces" della Freie Universität di Berlino ha sviluppato un nuovo tipo di adesivo che combina l'adesività impermeabile delle placche di cozze con il muco come materiale naturale repellente ai germi. Questo nuovo adesivo, derivato dal muco, impedisce l'accumulo di batteri e mantiene la sua aderenza anche sulle superfici bagnate. I ricercatori sperano che, una volta ottimizzate le sue proprietà, l'adesivo possa essere applicato sotto forma di liquido per iniezione o spruzzo, per poi solidificarsi in un gel appiccicoso. Il materiale potrebbe, ad esempio, essere utilizzato per rivestire impianti medici per prevenire infezioni e l'accumulo di batteri. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
Nel regno animale, i mitili sono maestri dell'adesione sottomarina: i bivalvi marini cavalcano le rocce e i fondali delle navi e possono aggrapparsi alle onde oceaniche grazie a un adesivo subacqueo che secernono attraverso il piede. Queste strutture adesive tenaci hanno spinto gli scienziati a sviluppare negli ultimi anni adesivi impermeabili di ispirazione biologica.
Ogni superficie del corpo umano non coperta dalla pelle è rivestita da uno strato protettivo di muco, una rete viscida di glicoproteine 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 glicoproteine derivate dal muco chiamate mucine per formare un gel appiccicoso che aderisce fortemente alle superfici.
Il nuovo approccio del team alla creazione di adesivi potrebbe essere adattato anche per incorporare altri materiali naturali come la cheratina, una sostanza fibrosa presente nelle piume e nei capelli che ha alcune proprietà chimiche simili a quelle del muco.
"Le applicazioni del nostro approccio alla progettazione dei materiali dipenderanno dagli specifici materiali precursori", spiega George Degen, ricercatore post-dottorato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT. "Per esempio, i materiali derivati dal muco o ispirati al muco potrebbero essere utilizzati come adesivi biomedici multifunzionali che prevengono anche le infezioni. Oppure applicare il nostro approccio alla cheratina potrebbe consentire lo sviluppo di materiali da imballaggio sostenibili".
Un articolo che illustra i risultati del team è stato pubblicato lunedì (17 febbraio 2024) nei Proceedings of the National Academy of Sciences. Tra i coautori di Degen al MIT figurano Corey Stevens, Gerardo Cárcamo-Oyarce, Jake Song, Katharina Ribbeck e Gareth McKinley, oltre a Raju Bej, Peng Tang e Rainer Haag, professore di chimica alla Freie Universität di Berlino. La collaborazione internazionale fa parte del lavoro del Centro di ricerca collaborativo "Dynamic hydrogels at biointerfaces", di cui Katharina Ribbeck e Rainer Haag sono membri.
Una combinazione appiccicosa
Prima di approdare al MIT, George Degen è stato dottorando presso l'Università della California, Santa Barbara, dove ha lavorato in un gruppo di ricerca che studiava i meccanismi adesivi delle cozze. "Le cozze sono in grado di depositare materiali che aderiscono alle superfici bagnate in pochi secondi o minuti", spiega Degen. "Questi materiali naturali aderiscono meglio degli adesivi commerciali, soprattutto su superfici bagnate e sott'acqua, che da tempo rappresentano una sfida tecnica.
Per aderire a una roccia o a una nave, le cozze secernono un liquido ricco di proteine. I legami chimici o i legami incrociati servono come punti di connessione tra le proteine e permettono alla sostanza secreta di solidificarsi in un gel e di aderire a una superficie bagnata.
Per coincidenza, caratteristiche simili di reticolazione si trovano nella mucina, una proteina che è il principale componente non acquoso del muco. Quando Degen è arrivato al MIT, ha collaborato con McKinley, professore di ingegneria meccanica ed esperto di scienza dei materiali e flusso dei fluidi, e con Katharina Ribbeck, professore di bioingegneria e leader nello studio del muco, per sviluppare un adesivo reticolato che combina le proprietà adesive delle placche di cozza con quelle antibatteriche del muco.
Miscelare i legami
I ricercatori del MIT hanno collaborato con Rainer Haag e altri ricercatori di Berlino specializzati nella sintesi di materiali bio-ispirati. Rainer Haag e Katharina Ribbeck fanno parte di un gruppo di ricerca congiunto che sviluppa idrogeli dinamici per biointerfacce. Il gruppo di Haag ha prodotto adesivi simili a cozze e fluidi ispirati al muco, producendo polimeri microscopici simili a fibre e con una struttura simile alle mucine naturali.
Per il nuovo lavoro, i ricercatori si sono concentrati su un motivo chimico presente negli adesivi delle cozze: un legame tra due gruppi chimici noti come "catecoli" e "tioli". Nella "colla" naturale della cozza, la placca, questi gruppi si combinano per formare legami incrociati catecolo-tiolo, che contribuiscono alla forza coesiva della placca. Le catechine migliorano anche l'adesione della cozza, legandosi a superfici come rocce e scafi di navi.
Anche i gruppi tiolo sono stati trovati ampiamente distribuiti nelle mucine. George Degen ha studiato se i polimeri ispirati alle cozze potessero legarsi ai tioli delle mucine, permettendo a queste ultime di trasformarsi rapidamente da liquido a gel appiccicoso. Per verificare questa idea, ha combinato soluzioni di mucine naturali con polimeri sintetici ispirati alle cozze e ha osservato come la miscela risultante si scioglieva e aderiva alle superfici nel tempo.
"È come una colla a due componenti, in cui si combinano due liquidi e la chimica inizia a funzionare sciogliendo il liquido e facendo aderire contemporaneamente la sostanza alla superficie", spiega George Degen. "A seconda del grado di reticolazione, possiamo controllare la velocità con cui i liquidi gelificano e aderiscono", spiega Rainer Haag. "Possiamo fare tutto questo su superfici bagnate, a temperatura ambiente e in condizioni molto delicate. È questo che lo rende unico".
Il team ha applicato diverse miscele tra due superfici e ha scoperto che l'adesivo risultante teneva insieme le superfici con forze paragonabili a quelle degli adesivi medici disponibili in commercio, come quelli usati per incollare i tessuti. Il team di ricerca internazionale ha anche testato le proprietà antibatteriche dell'adesivo applicando il gel a superfici di vetro e incubandole per una notte con batteri.
"Abbiamo scoperto che i batteri formavano una spessa biopellicola su una superficie di vetro nuda senza il nostro rivestimento adesivo, mentre con il nostro rivestimento le biopellicole venivano ampiamente prevenute", spiega George Degen.
Secondo i ricercatori, l'adesione dell'adesivo può essere ulteriormente migliorata con una piccola messa a punto. Se ciò avrà successo, il materiale potrebbe rappresentare un'alternativa forte e protettiva agli adesivi medici esistenti.
"Siamo soddisfatti di aver creato una piattaforma di progettazione del materiale che ci permette di ottenere queste desiderabili proprietà di gelificazione e adesione, e come punto di partenza abbiamo dimostrato importanti applicazioni biomediche", afferma George Degen. Siamo ora pronti a estendere il nostro lavoro ad altri sistemi sintetici e naturali e a puntare ad altre applicazioni". Questa ricerca è stata finanziata in parte dalla German Research Foundation, dal National Institutes of Health, dalla National Science Foundation e dall'Army Research Office.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Tedesco può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
George D. Degen, Corey A. Stevens, Gerardo Cárcamo-Oyarce, Jake Song, Raju Bej, Peng Tang, Katharina Ribbeck, Rainer Haag, Gareth H. McKinley; "Mussel-inspired cross-linking mechanisms enhance gelation and adhesion of multifunctional mucin-derived hydrogels"; Proceedings of the National Academy of Sciences, Volume 122, 2025-2-19
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