Une colle non toxique inspirée des protéines adhésives produites par les moules et d'autres créatures s'est avérée surpasser les produits disponibles dans le commerce, pointant vers des colles chirurgicales potentielles pour remplacer les sutures et les agrafes.

Plus de 230 millions de chirurgies majeures sont pratiquées chaque année dans le monde, et plus de 12 millions de blessures traumatiques sont traitées aux États-Unis seulement. Environ 60 pour cent de ces plaies sont fermées à l'aide de méthodes mécaniques telles que des sutures et des agrafes.

« Les sutures et agrafes présentent plusieurs inconvénients par rapport aux adhésifs, y compris l'inconfort du patient, un risque plus élevé d'infection et les dommages inhérents aux tissus sains environnants, " a déclaré Julie Liu, professeur agrégé de génie chimique et de génie biomédical à l'Université Purdue.

La plupart des adhésifs ne fonctionnent pas bien dans des environnements humides car l'eau interfère avec le processus d'adhésion. Bien qu'il soit difficile de développer des adhésifs qui surmontent ce problème, les colles pour applications médicales doivent répondre à une exigence supplémentaire :elles doivent être non toxiques et biocompatibles, également.

« Les technologies adhésives biomédicales actuelles ne répondent pas à ces besoins, ", a-t-elle déclaré. "Nous avons conçu un système de protéines bioinspirées qui promet d'obtenir une adhésion sous-marine biocompatible couplée à un comportement respectueux de l'environnement qui est « intelligent », ' ce qui signifie qu'il peut être réglé pour s'adapter à une application spécifique."

Dans les efforts pour développer de meilleures alternatives, les chercheurs se sont inspirés des colles naturelles. Spécifiquement, l'application et la liaison sous l'eau ont été démontrées avec des matériaux à base d'organismes tels que les vers de château de sable et les moules. Les deux produisent des protéines contenant l'acide aminé 3, 4- dihydroxyphénylalanine, ou DOPA, qui a été montré pour fournir la force d'adhérence, même en milieu humide.

Les résultats de la recherche ont été détaillés dans un document de recherche publié en avril dans Biomatériaux . L'article a été rédigé par l'étudiante diplômée M. Jane Brennan; Bridget F. Kilbride de premier cycle; Jonathan Wilker, un professeur de chimie et de génie des matériaux; et Liu.

Les adhésifs et mastics actuellement approuvés par la FDA sont confrontés à plusieurs défis :nombre d'entre eux présentent des caractéristiques toxiques, certains ne peuvent être appliqués que par voie topique car ils se dégradent en produits cancérigènes; certains sont dérivés de sources sanguines et présentent un potentiel de transmission d'agents pathogènes véhiculés par le sang tels que l'hépatite et le VIH; et d'autres provoquent une inflammation et une irritation.

"Plus important, cependant, est que la plupart de ces adhésifs ne possèdent pas une adhérence suffisante dans un environnement excessivement humide et ne sont pas approuvés pour une application dans la fermeture de plaies, " dit Liu. " En fait, beaucoup de ces matériaux conseillent spécifiquement de sécher la zone d'application autant que possible."

Les chercheurs de Purdue ont créé un nouveau matériau adhésif appelé ELY16, un "polypeptide de type élastine, " ou PEL. Il contient de l'élastine, une protéine hautement élastique trouvée dans le tissu conjonctif, et la tyrosine, un acide aminé. L'ELY16 a été modifié en ajoutant l'enzyme tyrosinase, convertir la tyrosine en molécule adhésive DOPA et former mELY16.

ELY16 et mELY16 ne sont pas toxiques pour les cellules et fonctionnent bien dans des conditions sèches. La modification avec DOPA augmente la force d'adhérence dans des conditions très humides. De plus, la version modifiée est « ajustable » à des conditions environnementales variables et peut être conçue pour correspondre aux propriétés de différents types de tissus.

"A notre connaissance, mELY16 fournit les liaisons les plus fortes de toutes les protéines d'ingénierie lorsqu'il est utilisé complètement sous l'eau, et ses rendements élevés le rendent plus viable pour une application commerciale par rapport aux protéines adhésives naturelles, " a-t-elle dit. " Il montre donc un grand potentiel d'être un nouvel adhésif sous-marin intelligent. "

L'adhésif présente également une biocompatibilité exceptionnelle grâce à l'utilisation d'élastine humaine.

"Notre objectif était d'imiter le type d'adhésion des protéines adhésives des moules, et de nombreux autres travaux se sont concentrés sur la molécule DOPA comme étant essentielle à cette adhésion, " a déclaré Liu. "Nous avons constaté que lorsque les matériaux adhésifs étaient exposés à de grandes quantités d'humidité, les protéines contenant de la DOPA avaient une force d'adhésion beaucoup plus élevée par rapport aux protéines non converties contenant uniquement de la tyrosine. Donc, DOPA a conféré une adhérence beaucoup plus forte dans les environnements humides."

Il est important de tester l'adhésif dans un environnement très humide pour déterminer dans quelle mesure l'adhésif fonctionnera et durcira en présence d'humidité dans les applications biomédicales.

La recherche a montré que mELY16 surpassait les adhésifs commerciaux, y compris un mastic approuvé par la FDA.

"Par rapport à ce mastic, nos protéines avec DOPA ont des forces d'adhésion significativement plus élevées, " dit Liu.

Les polypeptides de type élastine ont la capacité innée de « coacerver, " ce qui les fait se séparer en " deux phases liquides, " l'une plus dense et protéinée que l'autre, imitant le mécanisme d'adhérence utilisé par les vers des châteaux de sable.

L'élastine apporte cette propriété de coacervation, ce qui permet d'appliquer facilement l'adhésif sous l'eau. C'est aussi une protéine naturelle flexible présente dans les tissus, et il a été montré que les polypeptides de type élastine peuvent être « réticulés, " ou renforcé pour changer la rigidité pour imiter les tissus mous.

"Ce polypeptide de type élastine peut être produit avec des rendements élevés à partir d'Escherichia coli et peut "coacerver" en réponse à des facteurs environnementaux tels que la température, pH, et la salinité, " dit-elle. " Parce que la protéine va coacerver dans un bain liquide chaud, une phase dense riche en protéines se forme. Cette phase riche en protéines contient notre matière adhésive sous forme concentrée, et parce qu'il est plus dense que l'eau, il ne se disperse pas."

Les chercheurs ont testé le polymère avec des cellules de souris appelées fibroblastes NIH/3T3. Ces cellules sont souvent utilisées dans la recherche pour évaluer la toxicité en examinant dans quelle mesure les cellules survivent et se développent lorsqu'elles sont exposées à de nouveaux matériaux. Pour tester la biocompatibilité, les chercheurs ont mesuré la viabilité de fibroblastes NIH/3T3 cultivés pendant 48 heures directement sur une couche d'ELY16, mELY16, et un contrôle. Dans tous les groupes, la viabilité était supérieure à 95 pour cent.

Les recherches futures comprendront des travaux pour optimiser la formulation de l'adhésif et effectuer des tests avec des matériaux naturels.

"Nous avons commencé nos tests avec des substrats en aluminium car il est plus facile d'obtenir des résultats reproductibles avec de l'aluminium, " dit Liu. " Cependant, si nous nous intéressons aux applications biomédicales, nous devons tester des substrats plus proches des tissus mous du corps, et ces substrats sont plus difficiles à travailler."