Ingénierie de bio-adhésifs personnalisables pour une réparation médicale personnalisée

Les adhésifs médicaux traditionnels utilisés dans les applications chirurgicales ont souvent une bio-absorbabilité limitée, une toxicité élevée et un manque de personnalisation, conduisant à des résultats chirurgicaux sous-optimaux. Les progrès récents en biologie synthétique offrent une alternative prometteuse : des adhésifs biocompatibles et biodégradables sur mesure conçus pour des applications biomédicales internes spécifiques, telles que la réparation des tissus et les colles chirurgicales.

Les chercheurs travaillant avec Fuzhong Zhang, professeur de génie énergétique, environnemental et chimique à la McKelvey School of Engineering de l'Université Washington de Saint-Louis, relèvent ce défi avec une nouvelle classe d'hydrogels entièrement construits à partir de protéines.

Les collaborateurs de Zhang incluent Marcus Foston, professeur agrégé de génie énergétique, environnemental et chimique ; Guy Genin, professeur Harold et Kathleen Faught de génie mécanique; et Mohamed A. Zayed, professeur agrégé de chirurgie et de radiologie. Leur conception programmable permet un contrôle précis des propriétés mécaniques et adhésives, répondant ainsi aux limites des bio-colles synthétiques. La recherche a été publiée dans Matériaux et interfaces appliqués ACS.

“Ce travail est l'un des premiers à prouver que la biologie synthétique peut être utilisée non seulement pour produire des matériaux, mais également pour comprendre les relations séquence-structure-fonction des matériaux”, a déclaré Juya Jeon, étudiant diplômé du laboratoire de Zhang et premier auteur de l'étude. .

“Nos hydrogels sont constitués de protéines artificiellement conçues qui n'ont jamais été créées auparavant. Ces protéines uniques confèrent à nos hydrogels une combinaison de propriétés avantageuses, notamment des propriétés mécaniques et adhésives sous-marines exceptionnelles tout en étant bio-absorbables et parfaitement adaptées aux applications de réparation/ingénierie tissulaire. ”

Le nouveau matériel de l'équipe s'appuie sur des études antérieures du laboratoire de Zhang sur les adhésifs sous-marins inspirés des moules aquatiques et de leurs protéines collantes de pied de moule (Mfp). Jeon a amélioré les travaux antérieurs en combinant soigneusement les peptides de soie-amyloïde et le Mfp dans un hydrogel de protéine de pied de soie-amyloïde-moule (SAM).

Agissant comme une sorte de chef moléculaire, Jeon a ajusté les proportions des deux ingrédients principaux pour obtenir des hydrogels SAM qui peuvent être finement ajustés pour afficher des combinaisons uniques de biocompatibilité, de bio-absorbabilité, de résistance, d'extensibilité et d'adhésion sous-marine aux surfaces biologiques.

Jeon a également exploré les relations complexes entre la séquence protéique et les propriétés de l'hydrogel, qui seront cruciales pour concevoir des hydrogels SAM dotés de caractéristiques adaptées aux applications de réparation médicale personnalisées. En fabriquant des hydrogels SAM en utilisant diverses combinaisons de soie-amyloïde et de Mfps, Jeon et Zhang ont réussi à révéler des relations complexes entre la structure et les propriétés des matériaux.

Ils ont constaté qu’une augmentation des répétitions soie-amyloïde améliorait considérablement la force de cohésion et la ténacité, tandis que l’allongement de la longueur du Mfp augmentait l’adhérence de la surface mais diminuait la résistance globale. Une variante particulièrement intéressante a démontré une solidité, une résistance à la déformation et une adhésivité sous-marine exceptionnelles lorsqu'elle a été testée sur un modèle préclinique.

“Les relations séquence-structure-propriété découvertes dans cette étude fournissent des informations inestimables pour guider la conception future d'adhésifs protéiques aux propriétés réglables, ouvrant la voie à des adhésifs personnalisés adaptés à des applications spécifiques”, a déclaré Zhang.

« Cette étude marque un pas en avant significatif dans la recherche d'adhésifs chirurgicaux plus sûrs et plus efficaces, ouvrant les portes à une nouvelle ère de biocolles personnalisées pour divers besoins médicaux. Elle illustre également comment la biologie synthétique peut être utilisée pour éclairer des relations moléculaires complexes et fabriquer des biomatériaux avancés.