Selv med moderne medisins fremskritt, forsegler legene fortsatt sår med teknikker som tilsynelatende er mer passende for håndverkssirkler enn operasjonssalen: stifter, sysett og lim. Takket være en ny oppfinnelse kan vitenskapen om medisinske lim få en moderne modernisering. Forskere snudde bokstavelig talt steiner for å lage et nytt supersterkt lim fra en usannsynlig kilde - snegler.
Relatert innhold
- En mer super superlim kan hjelpe til med å bygge gelélignende roboter
- Lim laget av blåskjell kan forhindre arrdannelse
Den nåværende gullstandarden i medisinske lim er ingen ringere enn superlim. Den aktive forbindelsen i superlim, cyanoacrylate, er det tøffeste stoffet der ute, men det å være sterk handler om alt det har å gjøre for det. Superlim limer seg ikke til våte overflater, noe som har en tendens til å være et problem med blødende sår. Når den er påført på en tørr overflate, størkner den umiddelbart i en stiv og ujevn plast som går i stykker i stedet for å bevege seg med kroppen under helbredelse. For å toppe ting, kan det være giftig for levende celler.
"Noen ganger er det overraskende, er det ikke?" Sier David Mooney om de rustikke sutureringsmetodene som er tilgjengelige for legene. Mooney er professor i bioingeniørarbeid ved Harvard University, der forskningen ser på den naturlige verden for å designe nye materialer til medisinsk bruk. "Gjennom den evolusjonære prosessen må organismer møte en rekke forskjellige situasjoner, " sier han. Det kan ta en million år, men i den tiden kan en organisme finne den mest elegante og effektive måten å gjenoppbygge et skall eller lappe et sår. Mennesker strekker seg etter en stiftpistol.
Mooney og teamet hans prøver å ta med litt av dyrerikets finesse til menneskeskapte løsninger på problemer. De kaller det "bioinspirasjon." Jianyu Li, en postdoktor i Mooney's laboratorium, startet søket etter en forbilledlig kandidat som var en bastion av styrken og fleksibiliteten som trengs for å tette sår og redde liv i kirurgisk miljø. Etter å ha undersøkt litteraturen, "[fant vi denne veldig fantastiske skapningen, " sier Li. “Sluggen.”
Arion subfuscus er en vanlig oransje snegle som lever i nordlige tempererte regioner rundt om i verden. Det beskyttende slimet har inspirert et nytt medisinsk lim. (Wikimedia Commons) Arion subfuscus , sneglen det gjelder, kan virke som en usannsynlig kandidat. Disse beskjedne, rustne oransje bløtdyrene fører et enkelt liv i hager og under tømmerstokker i nordlige tempererte regioner rundt om i verden, med tanke på sin egen virksomhet. Det vil si inntil noe roter seg med dem. Hvis en sulten rovdyr prøver å smake, detonerer sneglen en cache av forsvarsslim.
"Da jeg oppdaget disse sneglene og plukket opp en av dem, visste jeg at dette materialet var virkelig fantastisk, " sier Andrew Smith, professor i biologi ved Ithaca College og ekspert på de biokjemiske egenskapene til bløtdyrslim som ikke var involvert i studien. . "Den siver bokstavelig talt av baksiden av sneglen og setter i løpet av sekunder til en skikkelig tøff, elastisk gel, " sier han.
"Det som gjør det spennende er at materialet er veldig tøft, " sier Smith. Den kan strekkes mer enn 10 ganger sin egen lengde, som et gummibånd som ikke knipser. Det kan herde, men forblir fleksibelt. I motsetning til superlim, vil det fungere på våte overflater. Og den er super, super klissete. Faktisk sliter Smith fortsatt med å fjerne gabb-labutstyret hans.
Transfikset av kraften fra slimet, forsøkte han å finne ut hvordan det fungerte.
"En typisk gel som Jell-o er stiv, men den er sprø - hvis du trykker på en skje på den, deler den seg, " sier Smith. Slugs har funnet ut en måte å være sterk der geléholdige desserter er svake. Han oppdaget at slimet er 97 prosent vann, men vevd gjennom med to forskjellige polymerer. Den første er organisert som et netting; det gir den sterke ryggraden. Rafflet gjennom nettet er det omfattende polymerkjeder som holder nettet strikket sammen når de er strukket over lange avstander. Denne såkalte dobbeltmatrisen er nøkkelen til styrken og fleksibiliteten i slugens slim.
Så gjør sneglene hele saken klebrig ved å fôre den med positivt ladede proteiner som fungerer som atomcelleborrelås, og binder den til de negative ladningene på vevets overflater. Netto resultatet? En munn full av ugjennomtrengelig lim når et rovdyr går inn for en sneglsnacks. Eller den perfekte inspirasjonen til et nytt, ultrastark medisinsk lim.
Dette tøffe limet ble påført et grisehjerte og strukket for å vise sterk vedheft og holdbarhet. (Kreditt: Jianyu Li et al., Science 2017)Basert på Smiths arbeid som karakteriserte slugslimet, satte Li seg ut til å gjenskape sine egenskaper i et syntetisk lim. Mooney og Li påpeker at ingen hageknitter noensinne vil bli skadet for å gjøre sin oppfinnelse. "Vi har ikke noe element av slugslim i materialet vårt, " sier Mooney. "Vi brukte det som inspirasjon."
Etter noen år med prøving og feiling, produserte Li en prototype som perfekt etterlignet slugens holdbare doble matrixegenskaper, som de beskriver i en studie i dag i tidsskriftet Science . Det øverste laget er en hydrogel som kan skjæres i den størrelsen som trengs. Det andre laget påføres som væske på hydrogelen og aktiverer den kjemiske bindingen. "Det er Scotch-tape som er festet til noe veldig elastisk og kan bevege seg lett med vev, " sier Mooney.
Det nye limet treffer det søte stedet når det gjelder timing i kirurgiske omgivelser også. "Det er ikke som om du ved et uhell berører den på huden din, og den ikke sitter fast, " sier Mooney. Kirurger ville ha omtrent 10 sekunder på å få limet på plass. Når limet er satt, “kan det ta imot stress og belastning som vevene opplever”, sier Li - belastninger som et bankende hjerte, pust og bevegelse.
Med en prototype satte teamet limet på prøve. De utførte mekaniske tøyningsforsøk, brukte limet til å lappe opp skadde rottelver og demonstrerte til og med sin styrke i å forsegle en stor mangel i et bankende grisehjerte. I hver prøve utkonkurrerte deres sluginspirerte lim alle de kommersielt tilgjengelige produktene, og beveget seg fleksibelt med helbredende lever og pumpende hjerter, alt uten toksisitet tydelig.
Teamets strategi for å se på naturen for å løse problemer er en verdi som deles av Phillip Messersmith, professor i bioingeniørvitenskap og materialvitenskap ved University of California Berkeley, hvis forskning bruker blåskjell som bioinspirasjon for lim. "Det er virkelig en veldig viktig studie, " sier han. "Meget godt utført og med viktige implikasjoner for medisinske anvendelser." Selv om Messersmith ikke hadde noen tekniske forbehold, bemerker han at eventuelle fremtidige kirurgiske applikasjoner vil kreve at materialet skal være biologisk nedbrytbart.
Heldigvis ligger en biologisk nedbrytbar versjon av disse limene på bunnen. Med et patent på vent, planlegger Li og Mooney også å vurdere om oppfinnelsen deres kan brukes trygt hos mennesker. "Hos menneskelige pasienter er sikkerhet avgjørende, så det vil være langvarige studier for å ha et høyt nivå av tillit til sikkerhet, " sier Mooney. De utvikler også en versjon av limet som kan sprøytes inn på steder som er vanskelig tilgjengelige som trenger oppdatering. Inspirert av en upretensiøs snegle under steinene i hagen din, virker det som himmelen er grensen for denne oppfinnelsen.
"Vi har jobbet med sneglene en stund, og jeg har vært veldig trygg på at dette kom til å føre til noe bra, " sier Smith. "Jeg har alltid følt at denne sneglen var bemerkelsesverdig og hadde potensial til å føre til virkelig nyttige lim, og wow - de viste virkelig."
