MIT的工程师们将尸体的黏液转化成阻菌防水胶水

他们将粘稠和粘性的蛋白质混合在一起，生产出一种用于生物医学应用的速效、阻菌、防水粘合剂。

　　

在动物界，贻贝是水下粘附的大师。海洋软体动物聚集在岩石上和船只底部，并通过它们的脚分泌胶斑来牢牢地抵抗海浪。这些坚韧的粘合剂结构促使科学家近年来设计类似的生物灵感，防水粘合剂。

现在，麻省理工学院的工程师们已经开发出一种新型胶水，它结合了贻贝斑块的防水粘性和另一种天然材料——粘液的抗菌特性。

我们身体上没有皮肤覆盖的每一个表面都有一层粘液保护层——一种粘稠的蛋白质网络，作为抵抗细菌和其他感染因子的物理屏障。在他们的新研究中，工程师们将受贻贝启发的粘性聚合物与黏液衍生蛋白或黏液蛋白结合在一起，形成了一种能牢固粘附在表面上的凝胶。

这种新型的黏液衍生胶防止了细菌的积聚，同时保持了粘性，即使在潮湿的表面上也是如此。研究人员设想，一旦这种胶水的性能得到优化，它就可以通过注射或喷雾的方式作为液体应用，然后凝固成粘性凝胶。例如，这种材料可用于覆盖医疗植入物，以防止感染和细菌积聚。

该团队的新胶水制造方法也可以调整，以加入其他天然材料，如角蛋白——一种在羽毛和头发中发现的纤维物质，具有与黏液相似的某些化学特征。

“我们的材料设计方法的应用将取决于具体的前体材料，”麻省理工学院机械工程系的博士后George Degen说。“例如，黏液衍生或受黏液启发的材料可以用作多功能生物医学粘合剂，也可以预防感染。或者，将我们的方法应用于角蛋白可能会促进可持续包装材料的开发。”

本周，《美国国家科学院院刊》上发表了一篇详细介绍该团队研究结果的论文。Degen在麻省理工学院的合著者包括Corey Stevens， Gerardo Cárcamo-Oyarce, Jake Song， Katharina Ribbeck和Gareth McKinley。

粘性组合

在来到麻省理工学院之前，德根是加州大学圣巴巴拉分校的一名研究生，在那里他在一个研究贻贝粘附机制的研究小组工作。

“贻贝能够在几秒到几分钟内沉积附着在潮湿表面上的物质，”Degen说。“这些天然材料比现有的商业化粘合剂性能更好，特别是在粘湿和水下表面方面，这一直是一个长期的技术挑战。”

为了粘在岩石或轮船上，贻贝分泌一种富含蛋白质的液体。化学键或交联作为蛋白质之间的连接点，使分泌物质同时固化成凝胶并粘在潮湿的表面上。

碰巧的是，在黏液蛋白中也发现了类似的交联特征。黏液蛋白是一种大型蛋白质，是黏液的主要非水成分。当Degen来到麻省理工学院时，他与机械工程教授、材料科学和流体流动专家麦金利和生物工程教授、黏液研究领域的领军人物Katharina Ribbeck共同开发了一种交联胶，这种胶将贻贝斑的粘合特性与黏液的细菌阻断特性结合起来。

混合链接

麻省理工学院的研究人员与Haag和柏林的同事合作，他们专门研究合成生物灵感材料。Haag和Ribbeck是一个开发生物界面动态水凝胶的合作研究小组的成员。Haag的团队已经制造出了类似贻贝的粘合剂，以及通过生产与天然黏液蛋白结构相似的微观纤维状聚合物而产生的黏液。

在他们的新工作中，研究人员专注于贻贝粘合剂中出现的化学基序：两个化学基团之间的键，称为“儿茶酚”和“硫醇”。在贻贝的天然胶或斑块中，这些基团结合形成儿茶酚-硫醇交联，有助于斑块的凝聚力。儿茶酚还可以通过与岩石和船体等表面的结合来增强贻贝的附着力。

有趣的是，巯基也普遍存在于粘蛋白中。德根想知道贻贝启发的聚合物是否可以与粘蛋白硫醇结合，使粘蛋白迅速从液体变成粘性凝胶。

为了验证这一想法，他将天然粘蛋白溶液与合成贻贝聚合物结合起来，观察所得混合物如何随着时间的推移固化并粘在表面上。

“它就像一个两部分的环氧树脂。你把两种液体结合在一起，化学反应开始发生，液体凝固，而物质同时把自己粘在表面，”Degen说。

Haag补充说：“根据交联的程度，我们可以控制液体凝胶化和粘附的速度我们可以在潮湿的表面、室温和非常温和的条件下完成这一切。这是非常独特的。”

研究小组在两个表面之间沉积了一系列的成分，发现所得到的粘合剂将两个表面粘合在一起，其强度与用于粘合组织的商业医用粘合剂相当。研究人员还通过将凝胶沉积在玻璃表面并与细菌孵育过夜来测试粘合剂的细菌阻隔性能。

Degen说：“我们发现，如果没有涂层的裸露玻璃表面，细菌会形成一层厚厚的生物膜，而有了涂层，生物膜在很大程度上被阻止了。”

该团队表示，通过一些调整，他们可以进一步改善粘合剂的附着力。然后，这种材料可以成为现有医用粘合剂的一种坚固和保护性替代品。

Degen说：“我们很高兴能够建立一个生物材料设计平台，为我们提供这些理想的凝胶和粘附性能，作为起点，我们已经展示了一些关键的生物医学应用。我们现在准备扩展到不同的合成和自然系统，并针对不同的应用。”

这项研究部分由美国国立卫生研究院、美国国家科学基金会和美国陆军研究办公室资助。