Kann man Blutungen stoppen und Wunden heilen, indem man etwas Klebstoff aufträgt? Dieses bionische Material ist erstaunlich …

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Yang Wen

Hersteller: China Science Expo

Ich weiß nicht, ob Sie sich an einen Text mit dem Titel „Die Erfindung des Sekundenklebers“ im Grundschulbuch erinnern. Der Protagonist Congcong stellte sich vor, er würde einen Sekundenkleber erfinden, der blutende Wunden sofort verkleben könnte. Selbst wenn die Beine und Arme gebrochen waren, konnten sie durch das Zusammenkleben mit diesem „Superkleber“ wiederhergestellt werden.

Wir haben in unserem täglichen Leben auch viele Klebstoffe gesehen, beispielsweise 502-Kleber, Sekundenkleber und Glaskleber. Obwohl diese Klebstoffe zerbrochenes Glas und andere Gegenstände schnell und fest verbinden können, verlieren sie ihre Klebkraft oder weisen eine sehr geringe Klebkraft auf, wenn sie mit Wasser in Berührung kommen (wie etwa mit menschlichem Blut oder Körperflüssigkeiten). Außerdem sind sie giftig und können daher nicht am menschlichen Körper angewendet werden.

Gibt es also einen „Universalkleber“, der für den menschlichen Körper geeignet ist?

Welcher „Kleber“ kann als medizinischer Gewebekleber verwendet werden?

Ein idealer medizinischer Gewebekleber sollte einige Prinzipien erfüllen:

1. Es verfügt über eine hohe Haftfestigkeit an der feuchten Schnittstelle von Geweben oder Organen, um ein Abfallen nach dem Aufkleben auf die Wunde zu verhindern.

2. Ungiftig und unschädlich für den menschlichen Körper, d. h. gute Biokompatibilität;

3. Es kann Blutungen wirksam stoppen, da die meisten Wunden mit Blutungen einhergehen.

4. Geeignete mechanische und physikalische Eigenschaften, wie etwa geeignete Zug-, Scher- und Bruchfestigkeit, um der Extrusion des umgebenden Gewebes nach der Verklebung Rechnung zu tragen;

5. Kann mit den Konturen und Größen komplexer oder unregelmäßiger Wunden umgehen.

Bestehende klinische Gewebekleber weisen viele Mängel auf, darunter die feuchte Oberfläche des beschädigten Gewebes in Blutungs- und Körperflüssigkeitsumgebungen, was zu einer schwachen Haftung des Klebers auf der feuchten Gewebeoberfläche, einer schlechten Versiegelungswirkung, einer unbefriedigenden Hämostasewirkung, Zytotoxizität und einer langsamen Wundheilung führt. Die Entwicklung eines integrierten medizinischen Gewebeklebers, der den Anforderungen klinischer Anwendungen gerecht wird, eine schnelle Blutstillung des geschädigten Gewebes sowie eine nahtlose Versiegelung erreicht und die Wundheilung beschleunigt, bleibt eine enorme Herausforderung.

Überwinde Schwierigkeiten, magische Kreaturen sind hier, um dir zu helfen!

Kürzlich entwickelte das Forschungsteam um Dai Jianwu/Chen Yanyan vom Suzhou Institute of Nanotechnology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, inspiriert von den natürlichen Klebstoffen von Muscheln, Efeu und Austern, einen injizierbaren, starken Gewebekleber, der je nach klinischem Bedarf zur Notfallblutstillung, zum Wundverschluss und zur beschleunigten Wundheilung eingesetzt werden kann.

An dieser Stelle fragen Sie sich vielleicht: Ich habe diese Kreaturen gesehen, kann ich daraus „Universalkleber“ herstellen?

Dann schauen wir uns an, was an ihnen so „magisch“ ist.

Muscheln können sich unter Wasser an einer Vielzahl von Oberflächen festsetzen, vor allem weil sie Byssusproteine ​​absondern können, die eine große Anzahl von Dopamingruppen und positiv geladenen Aminosäuren enthalten. Positiv geladene Aminosäuren können Grenzflächenwasser abweisen und eine große Zahl von Dopamingruppen kann physikalisch und chemisch mit Anhaftenden an der Grenzfläche interagieren.

Miesmuscheln

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Efeu kann vertikal an der Wand wachsen, weil der von ihm abgesonderte Schleim große Mengen Arabinogalaktose und globuläres Glykoprotein enthält. Der Schleim kann in die Wand eindringen und sich dann unter der Einwirkung von Kalziumionen schnell verfestigen, wodurch der Efeu fest an der Wand haften bleibt.

Efeu

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Austern können einen „Klebstoff“ produzieren, der aus organischen und anorganischen Substanzen besteht. Die organische Komponente besteht hauptsächlich aus Protein und die wichtigste anorganische Komponente ist Calciumcarbonat. Nachdem der Kleber ausgehärtet ist, haftet er wie Zement fest an den Austern am Riff. Dieses Phänomen wird auch Biomineralisation genannt.

Auster

(Fotoquelle: Veer Gallery)

Durch die Kombination der Schlüsselelemente zur Erzielung einer starken Haftung auf nassen Oberflächen und die Nachahmung der Haftungsmechanismen dieser drei Tiere und Pflanzen simulierte das Forschungsteam die drei Schlüsselprozesse der Haftung auf nassen Oberflächen, nämlich Drainage, Molekülkettenpenetration und Verankerungsvernetzung. Zudem entwickelte und synthetisierte es erstmals einen medizinischen Gewebekleber auf Kollagenbasis mit den Eigenschaften einer schnellen Entfernung von Grenzflächenwasser, mehrfacher dynamischer reversibler Permeationsvernetzung und verbesserter Aushärtung durch Biomineralisation. Dieser Klebstoff zeichnet sich durch eine starke Haftung auf feuchtem Oberflächengewebe, eine hohe Versiegelungsleistung, schnelle Selbstheilung, Injizierbarkeit, hervorragende Formanpassungsfähigkeit und hohe Biokompatibilität aus, wodurch die Probleme vorhandener kommerzieller Klebstoffe gelöst werden.

Schauen Sie, diese drei scheinbar gewöhnlichen Kreaturen sind in kritischen Momenten praktisch!

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Kollagen und Stärke sind zwei natürlich gewonnene biobasierte Polymere, die von der Food and Drug Administration für die Verwendung im menschlichen Körper zugelassen wurden. In dieser Studie führten die Forscher Dopamingruppen in die Molekülketten von Kollagen ein, um den Adhäsionsmechanismus von Muscheln abgesonderter Proteine ​​zu simulieren.

Einerseits interagieren Calciumionen mit dem Hydrogelnetzwerk und andererseits sind Kollagen und Stärke gute zusammengesetzte Vorlagen für die Biomineralisierung. Die Dopamingruppe trägt zur Beschleunigung der Biomineralisierung bei, indem sie die Bildung eines verstärkten Netzwerks aus Austernpartikeln simuliert und das Klebenetzwerk stärkt. Die Forscher nannten diesen synthetischen bionischen Klebstoff CoSt.

Darüber hinaus bestätigten die Forscher durch eine Reihe von In-vivo- und In-vitro-Ergebnissen, dass der CoSt-Gewebekleber über hohe Zugfestigkeitseigenschaften, einen moderaten Elastizitätsmodul, Selbstheilungseigenschaften und Injizierbarkeit verfügt. Diese hervorragenden Eigenschaften verbessern die Verbindung zwischen CoSt-Gewebekleber und dem umgebenden Gewebe.

Schematische Darstellung der Synthese (a) und des Adhäsionsmechanismus (b) des CoSt-Gewebeklebers

(Bildquelle: Autor)

Die Forscher bewerteten außerdem die hämostatische Fähigkeit des CoSt-Gewebeklebers und wendeten ihn auf verschiedene Blutungsmodelle an, darunter Rattenschwanzamputation, Leberinzision, schwerer Leberschaden, Bauchaorteninzision und Blutungsmodelle mit vollständiger Durchtrennung des Rückenmarks, um seine hämostatische Leistung in vivo in verschiedenen Blutungsumgebungen zu überprüfen.

Die Ergebnisse zeigten, dass mit dem CoSt-Gewebekleber innerhalb von 60 Sekunden eine schnelle Blutstillung erreicht werden konnte, unabhängig davon, ob es sich um große Blutungen bei schweren Leberschäden oder inkompressible Blutungen aufgrund einer Nervendurchtrennung handelte. Die Forscher bestätigten, dass der Hauptgrund darin liegt, dass der CoSt-Gewebekleber über ausgezeichnete Wundversiegelungseigenschaften, eine hervorragende Fähigkeit zur Blockierung roter Blutkörperchen und eine synergistische Wirkung bei der Aktivierung der hämostatischen Barrieremembran verfügt.

Darüber hinaus haben Studien an Tiermodellen mit Hautschnitt-/Defektverletzungen bestätigt, dass CoSt-Gewebekleber die Wundheilung und funktionelle Wiederherstellung beschleunigen kann. Die mit CoSt-Gewebekleber behandelten Wunden von Ratten zeigten nahezu keine Narbenbildung und die Regeneration neuer Epidermis und Haare war verbessert.

In dieser Studie wurden die Haftmechanismen mehrerer Meeresorganismen und Pflanzen geschickt kombiniert und diese drei Haftmechanismen auf innovative Weise zur Entwicklung eines neuen Typs von Gewebekleber genutzt. Es bietet einzigartige Vorteile in Anwendungsszenarien wie der Notfallbehandlung und der Blutstillung bei inkompressiblen Gewebetraumata. Es handelt sich um einen medizinischen Gewebekleber mit breiten Anwendungsmöglichkeiten.

Zusammenfassung

In der Natur gibt es alle möglichen Wunder. Die Natur wird immer das wertvollste Buch vor uns sein. Indem sie von der Natur lernen, können Forscher bionische Klebstoffe mit stärkerer Haftung, größerer Intelligenz und stärker integrierten Funktionen entwickeln.

Herausgeber: Sun Chenyu

Quellen:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202211340