Anche con i progressi della medicina moderna, i medici sigillano ancora le ferite con tecniche apparentemente più appropriate per i circoli artigianali rispetto alla sala operatoria: graffette, kit da cucito e colla. Grazie a una nuova invenzione, la scienza degli adesivi medicali può ottenere un rinnovamento moderno. I ricercatori hanno letteralmente rovesciato le pietre per escogitare una nuova colla super resistente da una fonte improbabile: lumache.
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L'attuale gold standard negli adesivi medicali non è altro che la supercolla. Il composto attivo in supercolla, il cianoacrilato, è la sostanza più dura là fuori, ma essere forti è tutto ciò che serve. Superglue non si attacca alle superfici bagnate, il che tende ad essere un problema con le ferite sanguinanti. Una volta applicato su una superficie asciutta, si solidifica immediatamente in una plastica rigida e rigida che si rompe invece di muoversi con il corpo durante la guarigione. Per finire, può essere tossico per le cellule viventi.
"A volte è sorprendente, non è vero?" Dice David Mooney dei metodi di suturazione rustici disponibili per i medici. Mooney è professore di bioingegneria all'Università di Harvard la cui ricerca si rivolge al mondo naturale per progettare nuovi materiali per applicazioni mediche. "Nel corso del processo evolutivo gli organismi devono affrontare una serie di situazioni diverse", afferma. Potrebbero volerci un milione di anni, ma in quel momento un organismo può trovare il modo più elegante ed efficace per ricostruire un guscio o rattoppare una ferita. Gli umani cercano una pistola di base.
Mooney e il suo team cercano di portare un po 'della finezza del regno animale in soluzioni artificiali ai problemi. Lo chiamano "bioispirazione". Jianyu Li, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Mooney, ha iniziato la ricerca di un candidato esemplare che fosse un bastione della forza e della flessibilità necessarie per sigillare le ferite e salvare vite umane in un ambiente chirurgico. Dopo aver studiato attentamente la letteratura, "[abbiamo] trovato questa creatura molto fantastica", dice Li. "La lumaca."
Arion subfuscus è una lumaca arancione comune che vive nelle regioni temperate settentrionali di tutto il mondo. Il suo muco protettivo ha ispirato una nuova colla medica. (Wikimedia Commons) Arion subfuscus , la lumaca in questione, potrebbe sembrare un candidato improbabile. Questi molluschi arancioni senza pretese e arrugginiti conducono una vita semplice nei giardini e sotto tronchi nelle regioni temperate del nord di tutto il mondo, occupandosi dei propri affari. Cioè, fino a quando qualcosa non li confonde. Se un predatore affamato cerca di prendere un bocconcino, la lumaca fa esplodere un deposito di muco difensivo.
"Quando ho scoperto queste lumache e ne ho raccolto uno, ho saputo che questo materiale era davvero straordinario", afferma Andrew Smith, professore di biologia all'Ithaca College ed esperto nelle proprietà biochimiche del muco di molluschi che non era coinvolto nello studio . "Letteralmente trasuda dalla parte posteriore della lumaca e si inserisce in pochi secondi in un gel molto resistente ed elastico", afferma.
"La cosa che lo rende eccitante è che il materiale è molto resistente", afferma Smith. Può essere allungato più di 10 volte la sua lunghezza, come un elastico che non si spezza. Può indurirsi, ma rimane flessibile. A differenza della supercolla, funzionerà su superfici bagnate. Ed è super, super appiccicoso. In effetti, Smith sta ancora lottando per eliminare le sue attrezzature da laboratorio.
Trafitto dal potere del muco, decise di capire come funzionava.
"Un gel tipico come Jell-o è rigido, ma è fragile - se si preme un cucchiaio su di esso si divide", dice Smith. Le lumache hanno trovato un modo per essere forti dove i dessert gelatinosi sono deboli. Scoprì che il muco è costituito per il 97 percento da acqua, ma intessuto con due diversi polimeri. Il primo è organizzato come una rete a maglie; fornisce la spina dorsale forte. Aggrovigliati nella rete sono estese catene polimeriche che mantengono la maglia unita quando vengono allungate per lunghe distanze. Questa cosiddetta doppia matrice è la chiave per la forza e la flessibilità del muco della lumaca.
Quindi le lumache rendono il tutto appiccicoso rivestendolo con proteine caricate positivamente che agiscono come velcro atomico, legandolo alle cariche negative sulle superfici dei tessuti. Il risultato netto? Una bocca piena di colla impermeabile quando un predatore entra per una merenda. Oppure, l'ispirazione perfetta per un nuovo adesivo medico ultra resistente.
Questo adesivo resistente è stato applicato su un cuore di maiale e allungato per mostrare forte adesione e durata. (Credito: Jianyu Li et al., Science 2017)Basato sul lavoro di Smith che caratterizza il muco di lumaca, Li ha deciso di replicare le sue proprietà in un adesivo sintetico. Mooney e Li sottolineano che nessuna creatura da giardino sarà mai danneggiata per realizzare la propria invenzione. "Non abbiamo alcun elemento di muco di lumaca nel nostro materiale", afferma Mooney. "L'abbiamo usato come ispirazione."
Dopo alcuni anni di tentativi ed errori, Li ha prodotto un prototipo che imitava perfettamente le proprietà durevoli della doppia matrice della lumaca, che descrivono oggi in uno studio pubblicato sulla rivista Science . Lo strato superiore è un idrogel che può essere tagliato nella misura necessaria. Il secondo strato viene applicato come liquido sull'idrogel e attiva il legame chimico. "È il nastro scozzese che è attaccato a qualcosa di molto elastico e può muoversi facilmente con i tessuti", afferma Mooney.
Il nuovo adesivo colpisce il punto giusto anche quando si tratta di tempistica in un ambiente chirurgico. "Non è come se lo tocchi accidentalmente sulla pelle, è bloccato e non riesci a toglierlo", dice Mooney. I chirurghi avrebbero circa 10 secondi per mettere l'adesivo in posizione. Una volta fissato, l'adesivo "può sopportare lo stress e la tensione vissuta dai tessuti", afferma Li: ceppi come un cuore che batte, la respirazione e il movimento.
Con un prototipo, il team ha testato il suo adesivo. Hanno eseguito esperimenti di stiramento meccanico, hanno usato l'adesivo per rattoppare fegati di topo feriti e hanno persino dimostrato la sua forza nel sigillare un grosso difetto in un cuore di maiale che batte. In ogni prova il loro adesivo ispirato alla lumaca ha sovraperformato tutti i prodotti disponibili in commercio, muovendosi in modo flessibile con fegati curativi e cuori di pompaggio, il tutto senza alcuna tossicità evidente.
La strategia del team di guardare alla natura per risolvere i problemi è un valore condiviso da Phillip Messersmith, professore di bioingegneria e scienza dei materiali presso l'Università della California Berkeley la cui ricerca utilizza le cozze come bioispirazione per gli adesivi. "È davvero uno studio molto importante", afferma. "Molto ben eseguito e con importanti implicazioni per le applicazioni mediche." Sebbene Messersmith non avesse riserve tecniche, nota che qualsiasi futura applicazione chirurgica richiederà che il materiale sia biodegradabile.
Fortunatamente, una versione biodegradabile di questi adesivi è il prossimo sul docket. Con un brevetto in corso di registrazione, Li e Mooney hanno anche in programma di valutare se la loro invenzione potrebbe essere utilizzata in sicurezza nelle persone. "Nei pazienti umani, la sicurezza è fondamentale, quindi ci saranno studi a lungo termine per avere un alto livello di fiducia nella sicurezza", afferma Mooney. Stanno anche sviluppando una versione dell'adesivo che può essere iniettato in punti difficili da raggiungere che devono essere rattoppati. Ispirato da una lumaca senza pretese sotto le rocce nel tuo giardino, sembra che il cielo sia il limite per questa invenzione.
"Abbiamo lavorato sulle lumache per un po ', e sono stato davvero fiducioso che questo avrebbe portato a qualcosa di buono", afferma Smith. "Ho sempre pensato che questa lumaca fosse notevole e avesse il potenziale per portare a colle davvero utili, e wow - hanno davvero mostrato."
