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

Los bioadhesivos pueden constar de una variedad de sustancias, pero las proteínas y los carbohidratos ocupan un lugar destacado. Las proteínas como la gelatina y los carbohidratos como el almidón se han utilizado como pegamentos de uso general por el hombre durante muchos años, pero por lo general, sus deficiencias de rendimiento las han reemplazado por alternativas sintéticas. Los adhesivos altamente efectivos que se encuentran en el mundo natural se encuentran actualmente bajo investigación, pero aún no tienen un uso comercial generalizado. Por ejemplo, se están investigando los bioadhesivos secretados por microbios y por moluscos y crustáceos marinos con miras a la biomimetismo . [1]

Los bioadhesivos son de interés comercial porque tienden a ser biocompatibles, es decir, útiles para aplicaciones biomédicas que involucran piel u otros tejidos corporales. Algunos funcionan en ambientes húmedos y bajo el agua, mientras que otros pueden adherirse a la energía superficial baja - superficies no polares como el plástico . En los últimos años, [ ¿cuándo? ] la industria de los adhesivos sintéticos se ha visto afectada por preocupaciones medioambientales 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 . Aumento de aceite Los precios también pueden estimular el interés comercial en alternativas biológicas a los adhesivos sintéticos.

Ejemplos de bioadhesivos en la naturaleza [ editar ]

Los organismos pueden secretar bioadhesivos para su uso en sujeción, construcción y obstrucción, así como en depredación y defensa. Los ejemplos [2] incluyen su uso para:

  • Colonización de superficies (por ejemplo , bacterias , algas , hongos , mejillones , percebes , rotíferos )
  • Hilos de byssal de mejillón
  • Construcción de tubos por gusanos poliquetos , que viven en montículos submarinos
  • Huevo de insecto , larva o pupa adherida [3] a superficies (vegetación, rocas) y tapones de apareamiento de insectos
  • Apego al huésped por garrapatas que se alimentan de sangre
  • Construcción de nidos por algunos insectos y también por algunos peces (por ejemplo, el espinoso de tres espinas )
  • Defensa por ranas Notaden y pepinos de mar
  • Captura de presas en telarañas y gusanos de terciopelo

Algunos bioadhesivos son muy fuertes. Por ejemplo, los percebes adultos alcanzan fuerzas de arranque de hasta 2 MPa (2 N / mm 2 ). La droga de seda también puede ser utilizada como pegamento por arácnidos e insectos .

Proteínas polifenólicas [ editar ]

La pequeña familia de proteínas que a veces se hace referencia como proteínas polifenólicas se producen por algunos invertebrados marinos como el mejillón azul, Mytilus edulis [4] por algunos algas ' [ citación necesaria ] , y por el poliqueto Phragmatopoma californica . [5] Estas proteínas contienen un alto nivel de una forma postraduccionalmente modificada (oxidada) de tirosina, L-3,4-dihidroxifenilalanina (levodopa, L-DOPA) [5] , así como la forma disulfuro (oxidada) de cisteína ( cistina ). [4] En el mejillón cebra ( Dreissena polymorpha), dos de estas proteínas, Dpfp-1 y Dpfp-2, se localizan en la unión entre los hilos de biso y la placa adhesiva. [ relevante? ] [6] [ ¿relevante? ] La presencia de estas proteínas parece, en general, contribuir al endurecimiento de los materiales que funcionan como bioadhesivos. [7] [ cita requerida ] La presencia del resto de dihidroxifenilalanina surge de la acción de un tipo de enzima tirosina hidroxilasa ; [ cita requerida ] in vitro, se ha demostrado que las proteínas se pueden reticular (polimerizar) usando una tirosinasa de hongos . [¿pertinente? ][8]

Adhesión temporal [ editar ]

Los organismos como las lapas y las estrellas de mar utilizan la succión y lodos similares a mocos para crear la adhesión de Stefan , lo que hace que la extracción sea mucho más difícil que la resistencia lateral; esto permite tanto el apego como la movilidad. Las esporas, los embriones y las formas juveniles pueden usar adhesivos temporales (a menudo glicoproteínas ) para asegurar su unión inicial a superficies favorables para la colonización. Las secreciones pegajosas y elásticas que actúan como adhesivos sensibles a la presión , formando uniones inmediatas al contacto, son preferibles en el contexto de la autodefensa y la depredación . Los mecanismos moleculares incluyen no covalentesinteracciones y entrelazamiento de cadenas de polímeros. Se pueden usar muchos biopolímeros (proteínas, carbohidratos , glicoproteínas y mucopolisacáridos ) para formar hidrogeles que contribuyen a la adhesión temporal.

Adhesión permanente [ editar ]

Muchos bioadhesivos permanentes (p. Ej., La espuma ocular de la mantis ) se generan mediante un proceso de "mezcla para activar" que implica el endurecimiento mediante reticulación covalente . En superficies no polares, los mecanismos adhesivos pueden incluir fuerzas de van der Waals , mientras que en superficies polares , los mecanismos como la unión de hidrógeno y la unión a (o la formación de puentes a través de) cationes metálicos pueden permitir que se logren mayores fuerzas de adhesión.

  • Los microorganismos usan polisacáridos ácidos ( masa molecular alrededor de 100 000 Da ) [ cita requerida ]
  • Las bacterias marinas usan exopolímeros de carbohidratos para lograr una fuerza de unión al vidrio de hasta 500 000 N / m 2 [ cita requerida ]
  • Los invertebrados marinos comúnmente emplean colas a base de proteínas para una unión irreversible. Algunos mejillones alcanzan 800 000 N / m 2 en superficies polares y 30 000 N / m 2 en superficies no polares [ cita requerida ] estos números dependen del medio ambiente, los mejillones en ambientes de alta depredación tienen un mayor apego a los sustratos. En entornos de alta depredación, los depredadores pueden requerir un 140% más de fuerza para desalojar los mejillones [9].
  • Algunas algas e invertebrados marinos usan lecproteínas que contienen L-DOPA para efectuar la adhesión [ cita requerida ]
  • Las proteínas de la espuma ocular de la mantis se entrecruzan covalentemente por pequeñas moléculas relacionadas con la L-DOPA mediante una reacción de bronceado que es catalizada por la catecol oxidasa o las enzimas polifenol oxidasa . [ cita requerida ]

L-DOPA es un residuo de tirosina que lleva un grupo hidroxilo adicional . Los grupos hidroxilo gemelos en cada cadena lateral compiten bien con el agua para unirse a las superficies, forman uniones polares a través de enlaces de hidrógeno y quelan los metales en las superficies minerales . El complejo de Fe (L-DOPA 3 ) puede representar en sí mismo gran parte de la reticulación y la cohesión en la placa del mejillón , [10] pero además el hierro cataliza la oxidación de la L-DOPA [11] a radicales libres de quinona reactivos., que pasan a formar enlaces covalentes. [12]

Aplicaciones comerciales [ editar ]

Shellac es un ejemplo temprano de un bioadhesivo puesto en práctica. Ahora existen ejemplos adicionales, con otros en desarrollo:

  • Adhesivo de madera para productos básicos basado en un exopolisacárido bacteriano [13]
  • USB PRF / Soy 2000, un adhesivo de madera para productos básicos que es 50% de hidrolizado de soja y sobresale en la unión digital de madera verde [14]
  • Las proteínas adhesivas de mejillón pueden ayudar a unir células a superficies plásticas en experimentos de laboratorio de cultivo de células y tejidos (ver Enlaces externos)
  • El pegamento de rana Notaden está en desarrollo para usos biomédicos , por ejemplo, como pegamento quirúrgico para aplicaciones ortopédicas o como hemostático [15].
  • Aplicaciones de administración de fármacos por las mucosas . Por ejemplo, las películas de proteína adhesiva de mejillón dan una mucoadhesión comparable al policarbofilo , [16] un hidrogel sintético utilizado para lograr una administración eficaz de fármacos a dosis bajas. Un mayor tiempo de residencia a través de la adhesión a la superficie de la mucosa, como en el ojo o la nariz, puede conducir a una mejor absorción del fármaco. [ cita requerida ]

Se están investigando varios métodos comerciales de producción:

  • Síntesis química directa, por ejemplo, incorporación de grupos L-DOPA en polímeros sintéticos [17]
  • Fermentación de bacterias transgénicas o levaduras que expresan genes proteicos bioadhesivos
  • Cultivo de organismos naturales (pequeños y grandes) que secretan materiales bioadhesivos

Mucoadhesión [ editar ]

Un término más específico que bioadhesión es mucoadhesión . La mayoría de las superficies mucosas, como el intestino o la nariz, están cubiertas por una capa de moco . Por tanto, la adhesión de una materia a esta capa se denomina mucoadhesión. [18] Los agentes mucoadhesivos son generalmente polímeros que contienen grupos de enlace de hidrógeno que se pueden usar en formulaciones húmedas o en polvos secos para la administración de fármacos. Los mecanismos detrás de la mucoadhesión aún no se han dilucidado por completo, pero una teoría generalmente aceptada es que primero se debe establecer un contacto cercano entre el agente mucoadhesivo y el moco, seguido de la interpenetración del polímero mucoadhesivo y la mucina y terminando con la formación de entrelazamientos y enlaces químicos entre las macromoléculas. [19]En el caso de un polímero en polvo seco, lo más probable es que la adhesión inicial se logre mediante el movimiento del agua desde la mucosa a la formulación, lo que también se ha demostrado que conduce a la deshidratación y al fortalecimiento de la capa mucosa. La posterior formación de van der Waals, hidrógeno y, en el caso de un polímero cargado positivamente, enlaces electrostáticos entre las mucinas y el polímero hidratado promueve una adhesión prolongada. [ cita requerida ] [18]

Referencias [ editar ]

  1. ^ Smith, AM y Callow, JA, eds. (2006) Adhesivos biológicos. Springer, Berlín. ISBN  978-3-540-31048-8
  2. ^ Graham, LD (2008) Adhesivos biológicos de la naturaleza. En: Enciclopedia de Biomateriales e Ingeniería Biomédica , 2ª ed., Eds. Wnek, G. y Bowlin, G., Informa Healthcare, Nueva York y Londres, vol. 1, p.236-253.
  3. ^ Li, D., Huson, MG y Graham, LD (2008) Secreciones adhesivas proteínicas de insectos y, en particular, el pegamento de unión al huevo de Opodiphthera sp. polillas. Arco. Bioquímica de insectos. Physiol. 69, 85-105. DOI : 10.1002 / arq.20267
  4. ↑ a b Rzepecki, Leszek M .; Hansen, Karolyn M .; Waite, J. Herbert (agosto de 1992). "Caracterización de una familia de proteínas polifenólicas ricas en cistina del mejillón azul Mytilus edulis L." Boletín biológico . 183 (1): 123-137. doi : 10.2307 / 1542413 . JSTOR 1542413 . PMID 29304577 .   
  5. ^ a b Jensen, Rebecca A .; Morse, Daniel E. (1988). "El bioadhesivo de los tubos de Phragmatopoma californica : un cemento sedoso que contiene L-DOPA". Journal of Comparative Fisiología B . 158 (3): 317–24. doi : 10.1007 / BF00695330 . S2CID 25457825 . 
  6. ^ Rzepecki, LM; Waite, JH (1993). "El byssus del mejillón cebra, Dreissena polymorpha. II: Estructura y polimorfismo de las familias de proteínas polifenólicas del byssal". Biología y Biotecnología Marina Molecular . 2 (5): 267–79. PMID 8180628 . 
  7. ^ Rzepecki, LM; Chin, SS; Waite, JH; Lavin, MF (1991). "Diversidad molecular de colas marinas: proteínas polifenólicas de cinco especies de mejillones". Biología y Biotecnología Marina Molecular . 1 (1): 78–88. PMID 1845474 . 
  8. ^ Burzio, Luis A; Burzio, Veronica A; Pardo, Joel; Burzio, Luis O (2000). "Polimerización in vitro de proteínas polifenólicas de mejillón catalizada por tirosinasa de hongos". Bioquímica y Fisiología Comparativa B . 126 (3): 383–9. doi : 10.1016 / S0305-0491 (00) 00188-7 . PMID 11007180 . 
  9. ^ Leonard GH, Bertness MD, Yundo PO. Depredación de cangrejos, señales transmitidas por el agua y defensas inducibles en el mejillón azul, Mytilus edulis. Ecología. 1999; 80 (1).
  10. ^ Sever MJ; Weisser, JT; Monahan, J .; Srinivasan, S .; Wilker, JJ (2004) Reticulación mediada por metales en la generación de un adhesivo de mejillones marinos. Angew. Chem. En t. Ed. 43 (4), 448-450
  11. ↑ Monahan, J .; Wilker, JJ (2004) Reticulación de la proteína precursora de los adhesivos de mejillones marinos: mediciones a granel y reactivos para el curado. Langmuir 20 (9), 3724-3729
  12. ^ Deming, TJ (1999) Mejillón byssus y materiales biomoleculares. Curr. Opin. Chem. Biol. 3 (1), 100-105
  13. ^ Combie, J., Steel, A. y Sweitzer, R. (2004) Adhesivo diseñado por la naturaleza (y probado en Redstone Arsenal). Tecnologías limpias y política medioambiental 5 (4), 258-262. Resumen
  14. ^ Volante USB [ enlace muerto permanente ]
  15. ^ Graham, LD; Glattauer, V .; Huson, MG; Maxwell, JM; Knott, RB; White, JW; Vaughan, PR; Peng, Y .; Tyler, MJ; Werkmeister, JA; Ramshaw, JA (2005) Caracterización de un elastómero adhesivo a base de proteínas secretado por la rana australiana Notaden bennetti . Biomacromoléculas 6, 3300-12. Resumen
  16. ^ Schnurrer, J .; Lehr, CM (1996) Propiedades mucoadhesivas de la proteína adhesiva del mejillón. En t. J. Pharmaceutics 141 (1-2), 251-256
  17. ^ Huang, K .; Lee, BP; Ingram, DR; Messersmith, PB (2002) Síntesis y caracterización de copolímeros de bloque autoensamblantes que contienen grupos terminales bioadhesivos. Biomacromoléculas 3 (2), 397-406
  18. ^ a b J.D. Smart. Los fundamentos y mecanismos subyacentes de la mucoadhesión. Adv Drug Deliv Rev.57: 1556-1568 (2005)
  19. ^ Hägerström, Helene (2003). "Geles poliméricos como formas farmacéuticas de dosificación: comportamiento reológico e interacciones fisicoquímicas en la interfaz gel-moco para formulaciones destinadas a la administración de fármacos por las mucosas" . Diva .

Enlaces externos [ editar ]

  • "Los mejillones inspiran nuevas posibilidades de pegamento quirúrgico". Artículo de ScienceDaily , diciembre de 2007.
  • Historia de pegamento de rana en el programa de ciencia de ABC TV Catalyst .
  • "Las algas marinas son la clave para mejorar los adhesivos biomédicos", Biomateriales para la asistencia sanitaria: una década de investigación financiada por la UE [ enlace muerto permanente ] , p. 23
  • Tesis sobre geles mucoadhesivos
  • "Proyecto Marie Curie sobre bioadhesión [1] utilizando la Hidra Cnidaria como organismos modelo
  • Adhesivo_protein, _mussel en la Biblioteca Nacional de Medicina de EE. UU. Medical Subject Headings (MeSH)