Uma supercola feita a partir do muco do próprio corpo
Uma mistura de proteínas viscosas e pegajosas combinadas
Uma equipa de investigação internacional do Massachusetts Institute of Technology (MIT), nos EUA, e do Centro de Investigação Colaborativa "Hidrogéis Dinâmicos em Biointerfaces" da Universidade Livre de Berlim desenvolveu um novo tipo de adesivo que combina a aderência à prova de água das placas de mexilhão com o muco, um material natural repelente de germes. Este novo adesivo, derivado do muco, impede a acumulação de bactérias e mantém a sua aderência mesmo em superfícies húmidas. Os investigadores esperam que, uma vez optimizadas as suas propriedades, o adesivo possa ser aplicado sob a forma de líquido por injeção ou pulverização, solidificando depois num gel pegajoso. O material poderia, por exemplo, ser utilizado para revestir implantes médicos para evitar infecções e a acumulação de bactérias. Os resultados foram publicados na revista Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).
No reino animal, os mexilhões são mestres da aderência subaquática: os bivalves marinhos passeiam nas rochas e no fundo dos navios e podem agarrar-se às ondas do mar graças a um adesivo subaquático que segregam através do pé. Estas estruturas adesivas tenazes levaram os cientistas, nos últimos anos, a desenvolver adesivos semelhantes de inspiração biológica e à prova de água.
Todas as superfícies do corpo humano que não estão cobertas por pele estão revestidas por uma camada protetora de muco - uma rede viscosa de glicoproteínas que actua como barreira física contra bactérias e outros agentes infecciosos. No seu novo trabalho, os engenheiros combinaram polímeros pegajosos, inspirados em mexilhões, com glicoproteínas derivadas do muco, chamadas mucinas, para formar um gel pegajoso que adere fortemente às superfícies.
A nova abordagem da equipa para a produção de adesivos também pode ser adaptada para incorporar outros materiais naturais, como a queratina - uma substância fibrosa encontrada nas penas e no cabelo que tem certas propriedades químicas semelhantes às do muco.
"As aplicações da nossa abordagem de conceção de materiais dependerão dos materiais precursores específicos", afirma George Degen, um investigador de pós-doutoramento do Departamento de Engenharia Mecânica do MIT. "Por exemplo, os materiais derivados ou inspirados no muco podem ser utilizados como adesivos biomédicos multifuncionais que também previnem infecções. Ou aplicar a nossa abordagem à queratina poderia permitir o desenvolvimento de materiais de embalagem sustentáveis".
Um artigo que detalha as descobertas da equipa foi publicado na segunda-feira (17 de fevereiro de 2024) na revista Proceedings of the National Academy of Sciences. Os co-autores de Degen no MIT incluem Corey Stevens, Gerardo Cárcamo-Oyarce, Jake Song, Katharina Ribbeck e Gareth McKinley, bem como Raju Bej, Peng Tang e Rainer Haag, professor de química na Freie Universität Berlin. A colaboração internacional faz parte do trabalho do Centro de Investigação Colaborativa "Hidrogéis dinâmicos em biointerfaces", do qual Katharina Ribbeck e Rainer Haag são membros.
Uma combinação pegajosa
Antes de vir para o MIT, George Degen era um estudante de doutoramento na Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, onde trabalhou num grupo de investigação que investigava os mecanismos adesivos dos mexilhões. "Os mexilhões são capazes de depositar materiais que aderem a superfícies molhadas em segundos ou minutos", diz Degen. "Estes materiais naturais aderem melhor do que os adesivos comerciais, especialmente em superfícies húmidas e debaixo de água, o que tem sido um desafio técnico.
Para aderir a uma rocha ou a um navio, os mexilhões segregam um líquido rico em proteínas. As ligações químicas ou ligações cruzadas servem de pontos de ligação entre as proteínas e permitem que a substância segregada solidifique simultaneamente num gel e adira a uma superfície molhada.
Coincidentemente, encontram-se caraterísticas semelhantes de ligações cruzadas na mucina - uma proteína que é o principal componente não aquoso do muco. Quando Degen chegou ao MIT, colaborou com McKinley, professor de engenharia mecânica e especialista em ciência dos materiais e fluxo de fluidos, e Katharina Ribbeck, professora de bioengenharia e líder no estudo do muco, para desenvolver um adesivo de reticulação que combina as propriedades adesivas das placas de mexilhão com as propriedades antibacterianas do muco.
Misturar as ligações
Os investigadores do MIT associaram-se a Rainer Haag e a outros investigadores de Berlim, especializados na síntese de materiais bio-inspirados. Rainer Haag e Katharina Ribbeck são membros de um grupo de investigação conjunto que desenvolve hidrogéis dinâmicos para biointerfaces. O grupo de Haag produziu adesivos semelhantes a mexilhões e fluidos inspirados no muco, produzindo polímeros microscópicos, semelhantes a fibras, com uma estrutura semelhante à das mucinas naturais.
Para o seu novo trabalho, os investigadores centraram-se num motivo químico encontrado nos adesivos do mexilhão: uma ligação entre dois grupos químicos conhecidos como "catecóis" e "tióis". Na "cola" natural do mexilhão, a placa, estes grupos combinam-se para formar ligações cruzadas catecol-tiol, que contribuem para a força de coesão da placa. As catequinas também melhoram a adesão do mexilhão, ligando-se a superfícies como rochas e cascos de navios.
Verificou-se também que os grupos tiol estão amplamente distribuídos nas mucinas. George Degen investigou se os polímeros inspirados no mexilhão poderiam ligar-se aos tióis da mucina, permitindo que as mucinas se transformassem rapidamente de um líquido num gel pegajoso. Para testar esta ideia, combinou soluções de mucinas naturais com polímeros sintéticos inspirados em mexilhões e observou como a mistura resultante se dissolvia e aderia às superfícies ao longo do tempo.
"É como uma cola de dois componentes, em que se combinam dois líquidos e a química começa a funcionar através da dissolução do líquido enquanto a substância adere à superfície ao mesmo tempo", diz George Degen. "Dependendo do grau de reticulação, podemos controlar a velocidade a que os líquidos gelificam e aderem", explica Rainer Haag. "Podemos fazer tudo isto em superfícies húmidas, à temperatura ambiente e em condições muito suaves. É isso que o torna único."
A equipa aplicou diferentes misturas entre duas superfícies e verificou que o adesivo resultante mantinha as superfícies unidas com forças comparáveis às dos adesivos médicos disponíveis no mercado, como os utilizados para colar tecidos. A equipa de investigação internacional também testou as propriedades antibacterianas do adesivo, aplicando o gel em superfícies de vidro e incubando-as durante a noite com bactérias.
"Descobrimos que as bactérias formaram um biofilme espesso numa superfície de vidro sem o nosso revestimento adesivo, enquanto que os biofilmes foram largamente evitados com o nosso revestimento", diz George Degen.
De acordo com os investigadores, a adesão do adesivo pode ainda ser melhorada com alguns ajustes. Se isto for bem sucedido, o material poderá ser uma alternativa forte e protetora aos adesivos médicos existentes.
"Estamos satisfeitos por termos criado uma plataforma de conceção de materiais que nos dá estas propriedades desejáveis de gelificação e adesão e, como ponto de partida, demonstrámos importantes aplicações biomédicas", afirma George Degen. "Estamos agora prontos a alargar o nosso trabalho a outros sistemas sintéticos e naturais e a visar outras aplicações. Esta investigação foi financiada em parte pela Fundação Alemã de Investigação, os Institutos Nacionais de Saúde, a Fundação Nacional de Ciência e o Gabinete de Investigação do Exército.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Alemão pode ser encontrado aqui.
Publicação original
George D. Degen, Corey A. Stevens, Gerardo Cárcamo-Oyarce, Jake Song, Raju Bej, Peng Tang, Katharina Ribbeck, Rainer Haag, Gareth H. McKinley; "Mussel-inspired cross-linking mechanisms enhance gelation and adhesion of multifunctional mucin-derived hydrogels"; Proceedings of the National Academy of Sciences, Volume 122, 2025-2-19
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