Polipeptidi termoresponsivi ispirati ai mitili: nuovi biomateriali adesivi ed emostatici per uso chirurgico.
Polipeptidi termoresponsivi ispirati ai mitili: nuovi biomateriali adesivi ed emostatici per uso chirurgico.
1.Contesto della ricerca
Le suture chirurgiche rimangono il metodo principale per la chiusura delle ferite, ma presentano evidenti svantaggi, tra cui cicatrici residue dovute all'ago, irritazione dei tessuti e necessità di procedure di rimozione secondarie. Gli adesivi tissutali disponibili in commercio presentano difetti critici: la colla di fibrina mostra una debole adesione in ambiente umido, mentre il cianoacrilato ha una scarsa biocompatibilità e innesca gravi reazioni infiammatorie, limitandone l'applicazione clinica. I mitili marini possono aderire saldamente a substrati umidi grazie agli abbondanti residui di L-DOPA presenti nelle proteine adesive, ispirando un'intensa ricerca sugli adesivi biomimetici. I polimeri biomimetici esistenti soffrono per lo più di una lenta velocità di polimerizzazione o di un'insufficiente forza di adesione sott'acqua. Inoltre, la maggior parte dei bioadesivi finora descritti non possiede la capacità di transizione sol-gel termoresponsiva, che impedisce la rapida formazione di gel in situ alla temperatura corporea umana per un'emostasi e una sigillatura delle ferite immediate. I polipeptidi possiedono un'eccezionale biocompatibilità, biodegradabilità e bioattività, caratteristiche che li rendono materiali ideali per il supporto biomedico. Tuttavia, gli adesivi polipeptidici multifunzionali termoresponsivi integrati con gruppi funzionali quali catecolo, arginina, cisteina e lisina sono stati raramente costruiti e verificati sistematicamente per la riparazione di pelle e ossa in modelli animali.
2.Significato della ricerca
Questo lavoro progetta una serie di polipeptidi multifunzionali termoresponsivi tramite polimerizzazione ad apertura d'anello NCA, combinando l'adesione catecolica ispirata ai mitili, il legame elettrostatico dell'arginina, il cross-linking tiolico della cisteina e segmenti EG₂-Glu termosensibili. La ricerca caratterizza sistematicamente le loro proprietà fisico-chimiche, le prestazioni di adesione in vitro e la capacità di emostasi e riparazione tissutale in vivo, colmando la lacuna degli adesivi chirurgici polipeptidici multifunzionali. Il materiale composito BPEDAC-BPEDAL sviluppato raggiunge una robusta adesione in ambiente umido su pelle e osso di suino, realizza una rapida gelificazione in situ a 37 °C, bassa citotossicità e completa biodegradazione. Fornisce una strategia di sintesi semplice per biomateriali adesivi emostatici e ortopedici senza sutura di nuova generazione, offrendo dati preclinici affidabili per lo sviluppo traslazionale di colle mediche polipeptidiche.
3.Contenuto della ricerca
Sintesi di monomeri NCA funzionali e copolimeri polipeptidici. Sintetizzare cinque monomeri NCA di amminoacidi (EG₂-Glu-NCA, DOPA-NCA, Arg-NCA, Cys-NCA, Ac-Lys-NCA); preparare quattro copolimeri a gradiente (BPED, BPEDA, BPEDAC, BPEDAL) tramite polimerizzazione ad apertura d'anello sequenziale iniziata dall'iniziatore alcossido di 1,4-butandiolo. Caratterizzare il peso molecolare e la dispersità tramite GPC e diffusione della luce laser, e confermare la struttura chimica utilizzando ¹H NMR.
Test di valutazione delle proprietà termoreattive e superficiali: curve temperatura-trasmittanza per verificare il comportamento della transizione sol-gel; misurazione degli angoli di contatto con l'acqua a 25 °C e 37 °C per analizzare la trasformazione idrofila-idrofoba dipendente dalla temperatura.
Test di prestazione di adesione in vitro: seguire gli standard ASTM per condurre test di adesione a taglio su pelle suina e test di adesione a trazione su osso suino; ottimizzare le concentrazioni degli agenti reticolanti HRP/H₂O₂, il tempo e la temperatura di polimerizzazione; testare il modulo elastico di ciascun sistema polipeptidico.
Valutazione della degradazione e della citotossicità: eseguire un esperimento di degradazione enzimatica con PBS per registrare il tasso di perdita di massa; adottare il test MTT ISO10993 con fibroblasti L929 per valutare la biocompatibilità.
Validazione del modello animale in vivo: sono stati stabiliti tre modelli animali: un modello di emostasi dell'emorragia epatica nel ratto, un modello di guarigione di un'incisione cutanea a tutto spessore e un modello di riparazione ossea dell'osteotomia femorale; vengono registrati la perdita di sangue, l'infiammazione della ferita e il rimodellamento tissutale tramite raggi X e colorazione istologica con ematossilina-eosina (H&E).
4.Risultati della ricerca
Sintesi di polimeri e caratteristiche termoresponsabili Sono stati sintetizzati con successo quattro copolimeri con rapporti di incorporazione dei monomeri controllabili. Tutti i polimeri mostrano una netta transizione sol-gel tra 30 e 35 °C; l'angolo di contatto aumenta da 27,5 °C (25 °C) a 72,5 °C (37 °C), dimostrando un'idrofilia indebolita alla temperatura corporea per una rapida formazione del gel.
Eccezionali prestazioni di adesione in ambiente umido
La massima resistenza all'adesione per taglio sulla pelle suina raggiunge i 101,2 kPa; l'adesione per trazione ossea raggiunge il picco di 603 kPa.
La temperatura di 37 °C migliora significativamente la forza di adesione rispetto alla temperatura ambiente; il sistema ibrido BPEDAC-BPEDAL offre proprietà meccaniche ottimali grazie alla reticolazione sinergica dei gruppi catecolo, tiolo e guanidinio.
La forza di adesione aumenta rapidamente entro 0,5-60 minuti di polimerizzazione e si stabilizza dopo 12 ore; un'adeguata concentrazione di H₂O₂ pari all'1% in peso e di HRP pari a 1 mg/mL consente di ottenere una reticolazione ossidativa ideale senza danni da sovraossidazione.
Degradabilità e biosicurezza favorevoli: BPEDAC perde oltre il 70% della massa entro 72 ore in PBS contenente proteasi, dimostrando la completa biodegradazione del polipeptide. I risultati del test MTT mostrano una vitalità cellulare superiore all'80% dopo 72 ore di incubazione, senza evidenti danni morfologici alle cellule, indicando una citotossicità trascurabile.
Emostasi e effetto riparatore superiori in vivo
Modello di emorragia epatica: BPEDAC-BPEDAL riduce la perdita di sangue da 1,76 g (controllo) a 0,54 g in 3 minuti grazie alla sigillatura istantanea con gel.
Incisione cutanea: la colla polipeptidica causa una lieve infiammazione solo al settimo giorno, con completa rigenerazione del derma e assenza di fibrosi al quattordicesimo giorno, risultando più efficace delle suture e del cianoacrilato, che inducono ipercheratosi infiammatoria persistente.
Osteotomia ossea: radiografie ed esami istologici dimostrano un completo rimodellamento osseo entro 60 giorni; l'adesivo non ostacola la proliferazione degli osteoblasti e la ricostruzione trabecolare.
5.Discussione
Rispetto agli adesivi tissutali tradizionali, i polipeptidi termoresponsivi ispirati ai mitili integrano molteplici motivi funzionali per realizzare meccanismi di adesione a reticolazione multipla, tra cui l'accoppiamento catecolico, il click tiolo-ene, i ponti salini elettrostatici e la separazione di fase termica, che insieme aumentano la forza di adesione in ambiente umido su tessuti molli e duri. Il segmento EG₂-Glu conferisce una transizione sol-gel reversibile a temperatura fisiologica, consentendo un'iniezione in situ minimamente invasiva e una sigillatura istantanea della ferita senza pre-indurimento. L'intera struttura polipeptidica garantisce una completa biodegradazione in frammenti di amminoacidi con bassa tossicità sistemica, risolvendo i difetti di biocompatibilità del cianoacrilato. Permangono tuttavia delle limitazioni: il processo di sintesi di più monomeri NCA richiede un'operazione rigorosamente anidra, limitando la produzione industriale su larga scala. L'ottimizzazione futura potrà semplificare i percorsi di polimerizzazione e introdurre materie prime a base di amminoacidi naturali a basso costo. Nel frattempo, un'ulteriore modifica delle catene laterali dei polipeptidi migliorerà l'attività antibatterica, consentendo la realizzazione di biomateriali multifunzionali integrati adesivi, emostatici e antibatterici per un'ampia gamma di applicazioni cliniche, come la chirurgia mininvasiva e il trattamento delle ustioni. In generale, questa serie di polipeptidi termoresponsivi supera i limiti prestazionali dei bioadesivi esistenti e possiede un grande potenziale di traslazione commerciale come materiali per la riparazione chirurgica senza suture.
Riferimento: Lu DD, Wang HS, Li TE, et al. Materiali adesivi ed emostatici chirurgici versatili: sintesi, proprietà e applicazione di polipeptidi termoresponsivi[J]. Chemistry of Materials, appena accettato, pubblicato online il 13-06-2017. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.7b00255.
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