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Bioadhesivo

Los bioadhesivos son materiales poliméricos naturales que actúan como adhesivos . El término a veces se usa de forma más general para describir un pegamento formado sintéticamen...

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Los bioadhesivos son materiales poliméricos naturales que actúan como adhesivos . El término a veces se usa de forma más general para describir un pegamento formado sintéticamente a partir de monómeros biológicos como azúcares , o para referirse a un material sintético diseñado para adherirse a tejidos biológicos .

Los bioadhesivos pueden estar compuestos de diversas sustancias, pero las proteínas y los carbohidratos son componentes principales. Proteínas como la gelatina y carbohidratos como el almidón se han utilizado como adhesivos de uso general durante muchos años, pero sus deficiencias de rendimiento han llevado a su sustitución por alternativas sintéticas. Actualmente se investigan adhesivos altamente efectivos presentes en la naturaleza. Por ejemplo, se estudian los bioadhesivos secretados por microbios, moluscos marinos y crustáceos con fines de biomimetismo . [ 1 ] Además, la tiolación de proteínas y carbohidratos permite que estos polímeros ( tiómeros ) se adhieran covalentemente, especialmente a subdominios ricos en cisteína de proteínas como las queratinas o las glicoproteínas mucosas, mediante la formación de enlaces disulfuro . [ 2 ] El quitosano tiolado y el ácido hialurónico tiolado se utilizan como bioadhesivos en diversos productos medicinales. [ 3 ] [ 4 ]

Bioadhesivos en la naturaleza

Los organismos pueden secretar bioadhesivos para utilizarlos en la fijación, la construcción y la obstrucción, así como en la depredación y la defensa. Algunos ejemplos incluyen su uso para:

Algunos bioadhesivos son muy fuertes. Por ejemplo, los percebes adultos alcanzan fuerzas de desprendimiento de hasta 2 MPa (2 N/mm² ) . Un pegamento igualmente fuerte y de rápida adhesión, que contiene 171 proteínas diferentes y puede adherirse a superficies húmedas, mojadas e impuras, es producido por la especie de lapa muy dura [ 5 ] [ 6 ] Patella vulgata ; este material adhesivo es un tema de investigación muy interesante en el desarrollo de adhesivos quirúrgicos y varias otras aplicaciones. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] La seda también puede ser utilizada como pegamento por arácnidos e insectos .

Proteínas polifenólicas

Organismos como los mejillones y los percebes secretan proteínas adhesivas marinas que se insolubilizan y les confieren la capacidad de adherirse a diversos sustratos en un entorno acuático. Una de las principales características de los bioadhesivos marinos es su capacidad de polimerizarse muy rápidamente en agua (en pocos minutos) y con una amplia gama de resistencias. [ 10 ] [ 11 ]

La pequeña familia de proteínas que a veces se denominan proteínas polifenólicas son producidas por algunos invertebrados marinos como el mejillón azul, Mytilus edulis [ 12 ] por algunas algas ' y por el poliqueto Phragmatopoma californica . [ 13 ] Estas proteínas contienen un alto nivel de una forma modificada postraduccionalmente (oxidada) de tirosina, L-3,4-dihidroxifenilalanina (levodopa, L-DOPA) [ 13 ] así como la forma disulfuro (oxidada) de cisteína ( cistina ). [ 12 ] En el mejillón cebra ( Dreissena polymorpha ), dos de estas proteínas, Dpfp-1 y Dpfp-2, se localizan en la unión entre los filamentos del biso y la placa adhesiva. [ 14 ] La presencia de estas proteínas parece, en general, contribuir al endurecimiento de los materiales que funcionan como bioadhesivos. [ 15 ] La presencia del grupo dihidroxifenilalanina surge de la acción de una enzima tipo tirosina hidroxilasa ; in vitro, se ha demostrado que las proteínas pueden entrecruzarse (polimerizarse) utilizando una tirosinasa de hongos . [ 16 ] Estas propiedades de las proteínas que contienen Dopa han llevado a la investigación de proteínas, carbohidratos y polímeros sintéticos que incorporan Dopa con el objetivo de replicar la capacidad de los organismos para adherirse a superficies húmedas en la naturaleza. [ 17 ]

Se ha identificado que la presencia de múltiples dominios consecutivos del factor de crecimiento epidérmico (EGF)/similares al EGF es una característica común de los adhesivos marinos; dichos dominios se observaron por primera vez en proteínas derivadas de mejillones hace 40 años y posteriormente se observaron en los adhesivos biológicos de muchos organismos incrustantes marinos, incluyendo lapas, erizos de mar, estrellas de mar y anémonas de mar. [ 17 ]

La bioincrustación se define como la adhesión y posterior crecimiento de organismos sobre un sustrato en un ambiente acuático. Puede observarse en cualquier sustrato, ya sea orgánico o inorgánico, biótico o abiótico, blando o duro. El asentamiento sobre un sustrato es una estrategia utilizada por los organismos acuáticos para asegurar su supervivencia, alimentación, alta tasa de reproducción, etc. [ 10 ]

Adhesión temporal

Organismos como las lapas y las estrellas de mar utilizan la succión y mucosidades para crear adhesión de Stefan , lo que dificulta mucho más el desprendimiento que la fricción lateral; esto permite tanto la fijación como la movilidad. Las esporas, los embriones y las formas juveniles pueden utilizar adhesivos temporales (a menudo glicoproteínas ) para asegurar su fijación inicial a superficies favorables para la colonización. Las secreciones pegajosas y elásticas que actúan como adhesivos sensibles a la presión , formando fijaciones inmediatas al contacto, son preferibles en el contexto de la autodefensa y la depredación . Los mecanismos moleculares incluyen interacciones no covalentes y el entrelazamiento de cadenas poliméricas. Muchos biopolímeros (proteínas, carbohidratos , glicoproteínas y mucopolisacáridos ) pueden utilizarse para formar hidrogeles que contribuyen a la adhesión temporal.

Adhesión permanente

Muchos bioadhesivos permanentes (por ejemplo, la espuma ooteca de la mantis religiosa ) se generan mediante un proceso de "mezcla para activar" que implica el endurecimiento a través de enlaces cruzados covalentes . En superficies no polares, los mecanismos adhesivos pueden incluir fuerzas de van der Waals , mientras que en superficies polares , mecanismos como los enlaces de hidrógeno y la unión a (o la formación de puentes a través de) cationes metálicos pueden permitir alcanzar fuerzas de adhesión mayores.

  • Los microorganismos utilizan polisacáridos ácidos ( masa molecular de alrededor de 100 000 Da ).
  • Las bacterias marinas utilizan exopolímeros de carbohidratos para lograr resistencias de unión al vidrio de hasta 500 000 N/m² .
  • Los invertebrados marinos suelen emplear adhesivos a base de proteínas para una fijación irreversible. Algunos mejillones alcanzan 800 000 N/m² en superficies polares y 30 000 N/m² en superficies no polares; estos valores dependen del entorno. En entornos con alta depredación, los mejillones presentan una mayor fijación a los sustratos. En estos entornos, los depredadores pueden necesitar un 140 % más de fuerza para desprender a los mejillones [ 18 ].
  • Algunas algas e invertebrados marinos utilizan leucoproteínas que contienen L-DOPA para lograr la adhesión.
  • Las proteínas de la espuma ooteca de la mantis religiosa están entrecruzadas covalentemente por pequeñas moléculas relacionadas con la L-DOPA mediante una reacción de curtido catalizada por las enzimas catecol oxidasa o polifenol oxidasa .

La L-DOPA es un residuo de tirosina que posee un grupo hidroxilo adicional . Los dos grupos hidroxilo en cada cadena lateral compiten eficazmente con el agua por la unión a superficies, forman enlaces polares mediante enlaces de hidrógeno y quelan los metales en superficies minerales . El complejo Fe(L- DOPA₃ ) puede explicar gran parte de la reticulación y la cohesión en la placa del mejillón , [ 19 ] pero además, el hierro cataliza la oxidación de la L-DOPA [ 20 ] a radicales libres de quinona reactivos , que posteriormente forman enlaces covalentes. [ 21 ]

Aplicaciones

Los bioadhesivos son de interés comercial porque suelen ser biocompatibles, es decir, útiles para aplicaciones biomédicas que involucran la piel u otros tejidos corporales. Algunos funcionan en ambientes húmedos y bajo el agua, mientras que otros se adhieren a superficies de baja energía superficial ( superficies no polares como el plástico) . En los últimos años, la industria de adhesivos sintéticos se ha visto afectada por preocupaciones ambientales y problemas de salud y seguridad relacionados con ingredientes peligrosos, emisiones de compuestos orgánicos volátiles y dificultades para reciclar o remediar adhesivos derivados de materias primas petroquímicas . El aumento de los precios del petróleo también podría estimular el interés comercial en alternativas biológicas a los adhesivos sintéticos.

La goma laca es un ejemplo temprano de un bioadhesivo de uso práctico. Actualmente existen otros ejemplos, y hay más en desarrollo:

Se están investigando varios métodos de producción comercial:

Mucoadhesión

Un término más específico que bioadhesión es mucoadhesión . La mayoría de las superficies mucosas, como las del intestino o la nariz, están cubiertas por una capa de moco . La adhesión de una sustancia a esta capa se denomina mucoadhesión. [ 27 ] Los agentes mucoadhesivos suelen ser polímeros que contienen grupos formadores de enlaces de hidrógeno y que pueden utilizarse en formulaciones húmedas o en polvos secos para la administración de fármacos. Los mecanismos de la mucoadhesión aún no se han dilucidado por completo, pero una teoría generalmente aceptada es que primero debe establecerse un contacto estrecho entre el agente mucoadhesivo y el moco, seguido de la interpenetración del polímero mucoadhesivo y la mucina, y finalizando con la formación de enredos y enlaces químicos entre las macromoléculas. [ 28 ] En el caso de un polvo de polímero seco, la adhesión inicial probablemente se logra mediante el movimiento del agua desde la mucosa hacia la formulación, lo que también se ha demostrado que conduce a la deshidratación y al fortalecimiento de la capa de moco. La formación subsiguiente de enlaces de van der Waals, de hidrógeno y, en el caso de un polímero con carga positiva, enlaces electrostáticos entre las mucinas y el polímero hidratado promueve una adhesión prolongada. [ 27 ]

Véase también

Mucílago

Referencias

  1. ↑ Smith, AM y Callow, JA, eds. (2006) Adhesivos biológicos. Springer, Berlín. ISBN 978-3-540-31048-8
  2. ↑ Leichner, C; Jelkmann, M; Bernkop-Schnürch, A (2019). "Polímeros tiolados: polímeros bioinspirados que utilizan una de las estructuras de puente más importantes de la naturaleza". Advanced Drug Delivery Reviews . 151–152 : 191–221 . doi : 10.1016/j.addr.2019.04.007 . PMID 31028759. S2CID 135464452 .  
  3. ↑ Federer, C; Kurpiers, M; Bernkop-Schnürch, A (2021). "Quitosanos tiolados: una clase de polímeros con múltiples talentos para diversas aplicaciones" . Biomacromolecules . 22 ( 1): 24– 56. doi : 10.1021/acs.biomac.0c00663 . PMC 7805012. PMID 32567846 .  
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  5. ↑ Barber, Asa H.; Lu, Dun; Pugno, Nicola M. (2015). "Fuerza extrema observada en los dientes de las lapas" . Journal of the Royal Society Interface . 12 (105). doi : 10.1098/rsif.2014.1326 . PMC 4387522. PMID 25694539. S2CID 1507479 .   
  6. ↑ Barber, Asa H.; Lu, Dun; Pugno, Nicola M. (2015). "Extreme strength observed in lapet teeth" . Journal of the Royal Society Interface . 12 (105). doi : 10.1098/rsif.2014.1326 . PMC 4387522 . PMID 25694539 .  
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  8. ↑ «Klebstoffe: Die Superhaftkraft der Napfschnecke» .
  9. ^ Kang, V.; Lengerer, B.; Wattiez, R.; Flammang, P. (2020). "Conocimientos moleculares sobre la poderosa adhesión de las lapas ( Paella vulgata L.) a base de moco" . Biología abierta . 10 (6) 200019. doi : 10.1098/rsob.200019 . PMC 7333891 . PMID 32543352 .  
  10. 1 2 Foulon, Valentín; Artigaud, Sébastien; Buscaglia, Manon; Bernay, Benoit; Fabioux, Carolina; Petton, Bruno; Elías, Philippe; Boukerma, Kada; Hola, Claire; Guérard, Fabienne; Boudry, Pierre (17 de octubre de 2018). "Secreción proteica de bioadhesivo producida durante el rastreo y asentamiento de las larvas de Crassostrea gigas" . Informes científicos . 8 (1) 15298. Código bibliográfico : 2018NatSR...815298F . doi : 10.1038/s41598-018-33720-4 . PMC 6193008 . PMID 30333557 .  
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  • Tesis sobre geles mucoadhesivos
  • "Proyecto Marie Curie sobre bioadhesión"Utilizando la hidra (un cnidario) como organismo modelo.
  • proteína adhesiva,_mejillón en los Encabezamientos de Materias Médicas (MeSH) de la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU.