Bioadhesivo

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Los bioadhesivos son materiales poliméricos naturales que actúan como adhesivos. El término se utiliza a veces de forma más amplia 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 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 han sido utilizados como pegamentos de uso general por el hombre durante muchos años, pero normalmente sus deficiencias de rendimiento han hecho que se sustituyeran por alternativas sintéticas. Actualmente se están investigando adhesivos altamente efectivos que se encuentran en el mundo natural. Por ejemplo, se están investigando bioadhesivos secretados por microbios y por moluscos y crustáceos marinos con vistas a la biomimética. 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 glucoproteínas mucosas mediante la formación de enlaces disulfuro. El quitosano tiolado y el ácido hialurónico tiolado se utilizan como bioadhesivos en varios productos medicinales.

Bioadhesivos en la naturaleza

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

  • Colonización de superficies (por ejemplo bacterias, algas, hongos, mejillones, bárnacles, rotifers)
  • Hilos de mejillón
  • Construcción de tubos por gusanos de polichaete, que viven en montículos submarinos
  • Huevo de insectos, apego larval o pupal a superficies (vegetación, rocas) y tapones de apareamiento de insectos
  • Apego de acogida por garrapatas de alimentación sanguínea
  • Construcción de nidos por algunos insectos, y también por algunos peces (por ejemplo, la retroalimentación tripinada)
  • Defensa Notaden ranas y pepinos marinos
  • Captura de presa en telas de araña y por gusanos de terciopelo

Algunos bioadhesivos son muy fuertes. Por ejemplo, los percebes adultos alcanzan fuerzas de tracción 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 mojadas, húmedas e impuras, es producido por la especie de lapa muy dura Patella vulgata; este material adhesivo es un tema de investigación muy interesante en el desarrollo de adhesivos quirúrgicos y otras aplicaciones. La seda también puede ser utilizada como pegamento por arácnidos e insectos.

Proteínas polifenólicas

La pequeña familia de proteínas a las que a veces se hace referencia como proteínas polifenólicas es producida por algunos invertebrados marinos como el mejillón azul, Mytilus edulis, por algunas algas y por el poliqueto Phragmatopoma californica. Estas proteínas contienen un alto nivel de una forma oxidada (modificada postraduccionalmente) de tirosina, L-3,4-dihidroxifenilalanina (levodopa, L-DOPA), así como la forma disulfuro (oxidada) de cisteína (cistina). 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. La presencia de estas proteínas parece, en general, contribuir al endurecimiento de los materiales que funcionan como bioadhesivos. La presencia de la fracción dihidroxifenilalanina surge de la acción de una enzima del tipo tirosina hidroxilasa; in vitro, se ha demostrado que las proteínas pueden reticularse (polimerizarse) utilizando una tirosinasa de hongos.

Adhesión temporal

Organismos como las lapas y las estrellas de mar utilizan la succión y babas mucosas para crear la adhesión de Stefan, lo que hace que el desprendimiento sea mucho más difícil que el arrastre lateral; esto permite tanto la adhesión como la movilidad. Las esporas, los embriones y las formas juveniles pueden utilizar adhesivos temporales (a menudo glicoproteínas) para asegurar su adhesión inicial a superficies favorables para la colonización. Las secreciones pegajosas y elásticas que actúan como adhesivos sensibles a la presión, formando adhesiones inmediatas al contacto, son preferibles en el contexto de la autodefensa y la depredación. Los mecanismos moleculares incluyen interacciones no covalentes y enredos de cadenas de polímeros. 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 ootecal de la mantis) se generan mediante un proceso de "mezcla para activar" que implica endurecimiento mediante enlaces cruzados covalentes. En superficies no polares, los mecanismos adhesivos pueden incluir fuerzas de van der Waals, mientras que en superficies polares, mecanismos como la unión de hidrógeno y la unión a cationes metálicos (o la formación de puentes a través de ellos) pueden permitir alcanzar fuerzas de adherencia más altas.

  • Los microorganismos usan polisacáridos ácidos (masa molecular alrededor de 100 000 Da)
  • Las bacterias marinas usan exopolímeros de carbohidratos para lograr fortalezas de unión a vidrio de hasta 500 000 N/m2
  • Los invertebrados marinos emplean habitualmente pegamentos basados en proteínas para el apego irreversible. Algunos mejillones alcanzan 800 000 N/m2 sobre superficies polares y 30 000 N/m2 sobre superficies no polares estos números dependen del medio ambiente, los mejillones en entornos de alta predación tienen un mayor apego a sustratos. En entornos de alta predación puede requerir depredadores 140% más fuerza para deslodrar mejillones
  • Algunas algas e invertebrados marinos usan lecproteínas que contienen L-DOPA para efectuar adhesiones
  • Las proteínas en la espuma ootecal de la mantis se relacionan covalentemente con pequeñas moléculas relacionadas con la L-DOPA a través de una reacción en bronceado que es catalizada por enzimas de oxidasa catecol o oxidasa polifenol.

La 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 forman quelatos con los metales en las superficies minerales. El complejo Fe(L-DOPA3) puede ser responsable de gran parte de la reticulación y la cohesión en la placa de mejillón, pero además el hierro cataliza la oxidación de la L-DOPA a radicales libres de quinona reactivos, que luego forman enlaces covalentes.

Aplicaciones

Los bioadhesivos son de interés comercial porque tienden a 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 pueden adherirse a superficies de baja energía superficial (superficies no polares, como el plástico). En los últimos años, la industria de los 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 puede estimular el interés comercial en alternativas biológicas a los adhesivos sintéticos.

La goma laca es un ejemplo temprano de bioadhesivo aplicado en la práctica. Ahora existen más ejemplos y otros están en desarrollo:

  • Adhesivo de madera de productos básicos basado en un exopolysaccharide bacteriano
  • USB PRF/Soy 2000, un adhesivo de madera de mercancía que es un 50% de hidrólisis de soja y sobresale a la madera verde de unión de dedos
  • Las proteínas adhesivas de mejillón pueden ayudar a adjuntar células a superficies plásticas en experimentos de cultivo de células de laboratorio y tejidos (ver Enlaces externos)
  • El Notaden cola de rana está en desarrollo para usos biomédicos, por ejemplo como cola quirúrgica para aplicaciones ortopédicas o como hemostat
  • Aplicaciones para la entrega de drogas. Por ejemplo, las películas de proteína adhesiva de mejillón dan una mucoadhesión comparable al policarbófilo, un hidrogel sintético utilizado para lograr la entrega efectiva de drogas en dosis bajas de drogas. Un mayor tiempo de residencia a través de la adherencia a la superficie mucosa, como en el ojo o la nariz puede conducir a una mejor absorción del medicamento.
  • Imágenes continuas de larga duración de diversos órganos (a través de un parche de imágenes de ultrasonido de alta resolución bioadhesivo estirable, potencialmente permitiendo herramientas de diagnóstico y monitoreo novedosas)

Se están investigando varios métodos comerciales de producción:

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

Mucoadhesión

Un término más específico que el de bioadhesión es mucoadhesión. La mayoría de las superficies mucosas, como las del intestino o la nariz, están cubiertas por una capa de moco. Por ello, la adhesión de una materia a esta capa se denomina mucoadhesión. Los agentes mucoadhesivos suelen ser polímeros que contienen grupos de enlaces de hidrógeno que se pueden utilizar en formulaciones húmedas o en polvos secos para la administración de fármacos. Los mecanismos que subyacen a 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. 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 el fortalecimiento de la capa de moco. La formación posterior de enlaces de van der Waals, de hidrógeno y, en el caso de un polímero con carga positiva, de enlaces electrostáticos entre las mucinas y el polímero hidratado promueve una adhesión prolongada.

Véase también

Mucílago

Referencias

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  • "Las algas marinas tienen la clave para mejores adhesivos biomédicos", Biomateriales para la salud: una década de investigación financiada por la UE, p. 23
  • Tesis sobre geles mucoadhesivos
  • "Marie Curie" Proyecto sobre bioadhesión [1] utilizando la Hidra Cnidaria como organismos modelo
  • adhesive_protein,_mussel en la Biblioteca Nacional de Medicina de EE.UU.
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