생체 접착제

Bioadhesive

바이오 접착제는 접착제 역할을 하는 천연 고분자 재료입니다.이 용어는 때때로 설탕과 같은 생물학적 단량체로부터 합성적으로 형성된 접착제를 설명하기 위해 더 느슨하게 쓰이거나 생물학적 조직에 부착하도록 설계된 합성 물질을 의미하기 위해 사용된다.

생체 접착제는 다양한 물질로 구성될 수 있지만 단백질과 탄수화물은 눈에 띄게 특징지어진다.젤라틴과 같은 단백질과 녹말과 같은 탄수화물은 수년 동안 인간에 의해 범용 접착제로 사용되어 왔지만, 전형적으로 그들의 성능 단점은 합성 대체 물질로 대체되었다.자연계에서 발견되는 매우 효과적인 접착제는 현재 조사 중이지만 아직 널리 상용화되지는 않았습니다.예를 들어 미생물, 해양 연체동물, 갑각류에 의해 분비되는 생체 접착제는 생체 [1]모방을 목적으로 연구되고 있다.

생체 접착제는 생체 적합성, 즉 피부나 다른 신체 조직을 포함하는 생물의학 애플리케이션에 유용한 경향이 있기 때문에 상업적 관심이 있다.어떤 것은 습한 환경이나 물 속에서 작동하는 반면, 다른 것은 낮은 표면 에너지(플라스틱과 같은 무극성 표면)를 고수할 수 있습니다.최근 [when?]몇 년간 합성 접착제 산업은 유해 성분과 관련된 환경 문제 및 건강 및 안전 문제, 휘발성 유기 화합물 배출, 석유 화학 원료에서 유래한 접착제의 재활용 또는 재조정이 어려운 등의 영향을 받아 왔습니다.유가 상승은 또한 합성 접착제의 생물학적 대체물에 대한 상업적 관심을 자극할 수 있다.

자연에서 생체 접착제의 예

유기체는 부착, 시공 및 방해뿐만 아니라 포식 및 방어에 사용하기 위해 생체 접착제를 분비할 수 있다.예를[2] 들어 다음과 같은 용도로 사용할 수 있습니다.

어떤 생체 접착제는 매우 강하다.예를 들어 성인 따개비는 최대 2MPa(2N/mm2)의 인발력을 달성합니다.171개의 서로 다른 단백질을 포함하고 습하고 습하며 불순한 표면에 부착할 수 있는 유사하게 강하고 빠르게 접착되는 접착제는 매우 단단한[4][5] 림펫 종인 파텔라 벌가타에 의해 생산됩니다. 이 접착제는 외과용 접착제 및 기타 여러 [6][7][8]응용 분야의 개발에 있어 매우 흥미로운 연구 주제입니다.실크 도프는 거미류나 곤충의 접착제로도 사용할 수 있다.

폴리페놀단백질

때때로 폴리페놀 단백질로 언급되는 단백질의 작은 과는 푸른 홍합, [citation needed]Mytilus edulis와[9] [10]같은 해양 무척추동물과 캘리포니아조류에 의해 생산된다.이러한 단백질은 높은 수준의 번역 후 변형된 티로신, L-3,4-디히드록시페닐알라닌(레보도파, L-DOPA)[10] 및 시스테인(시스틴)[9]의 디술피드(산화) 형태를 포함한다.제브라홍합(Dreissena polymorpha)은 이러한 2개의 단백질인 Dpfp-1과 Dpfp-2가 바이수스사와 접착성 [relevant?][11][relevant?]플라크의 접합부에 위치하는 것을 특징으로 하는 제브라홍합(Dreissena polymorpha).이러한 단백질의 존재는 일반적으로 생체 접착제로 [12][citation needed]기능하는 물질의 경화에 기여하는 것으로 보인다.디히드록시페닐알라닌의 존재는 티로신 하이드록실라아제 유형의 [citation needed]효소의 작용에서 발생한다. 시험관내에서는 해당 단백질이 버섯 [relevant?][13]티로시나제를 사용하여 가교(중합)될 수 있는 것으로 나타났다.

일시적인 접착

림펫이나 별과 같은 유기체는 흡입과 점액 같은 슬라임을 사용하여 스테판 접착을 만들어 내는데, 스테판 접착은 측면 항력보다 훨씬 더 어렵게 만듭니다; 이것은 부착과 이동성을 둘 다 가능하게 합니다.포자, 배아 및 어린 형태는 임시 접착제(종종 당단백질)를 사용하여 식민지화에 적합한 표면에 초기 부착을 보장할 수 있습니다.자기방어 및 포식이라는 맥락에서 접촉 시 즉시 부착되는 점착성 접착제 역할을 하는 점착성 및 탄성 분비물이 바람직하다.분자 메커니즘은 비공유 상호작용 및 폴리머 사슬 얽힘을 포함한다.단백질, 탄수화물, 당단백질, 무코다당류 등 많은 생체 고분자들이 일시적인 접착에 기여하는 하이드로겔을 형성하는데 사용될 수 있습니다.

영구 접착

많은 영구 생체 접착제(예: 사마귀의 외피 거품)는 공유 가교 경화를 수반하는 "활성화 혼합" 프로세스에 의해 생성된다.비극성 표면에서는 접착 메커니즘에 반데르발스 힘이 포함될 수 있지만, 수소 결합 및 금속 양이온에 대한 결합(또는 브릿지 형성)과 같은 극성 표면에서는 더 높은 접착력을 얻을 수 있습니다.

  • 미생물은 산성 다당류(분자질량 약 100,000Da)[citation needed]를 사용한다.
  • 해양세균은 탄수화물 엑소폴리머를 사용하여 최대 500,000 N/m의2[citation needed] 유리에 대한 결합 강도를 달성합니다.
  • 해양 무척추동물은 보통 돌이킬 수 없는 애착을 위해 단백질 기반의 접착제를 사용한다.일부 홍합은 극성 표면에서 800,000 N/m2, 비극성[citation needed] 표면에서 30,000 N/m를2 달성하며, 이러한 수치는 환경에 따라 달라지며, 높은 포식 환경의 홍합은 기질에 대한 부착력이 증가한다.포식율이 높은 환경에서는 홍합을[14] 제거하기 위해 포식자가 140% 더 많은 힘을 필요로 할 수 있습니다.
  • 일부 해조류와 해양 무척추동물은 유착작용을 위해[citation needed] L-DOPA를 함유한 렉프로틴을 사용한다.
  • 사마귀의 귀포체 중 단백질은 카테콜산화효소 또는 폴리페놀산화효소 [citation needed]효소에 의해 촉매되는 태닝 반응을 통해 L-DOPA와 관련된 소분자에 의해 가교된다.

L-DOPA는 추가적인 수산기를 가진 티로신 잔기이다.각 측쇄의 쌍둥이 수산기는 표면에 결합하기 위해 물과 잘 경쟁하고, 수소 결합을 통해 극성 부착을 형성하고, 광물 표면에서 금속을 킬레이트합니다.Fe(L-DOPA3) 복합체 자체는 홍합 [15]플라크에서 많은 가교와 응집력을 설명할 수 있지만, 추가로 반응성[16] 퀴논 유리기로의 L-DOPA의 철 촉매 산화는 공유 [17]결합을 형성한다.

상용 어플리케이션

셸락은 생체 접착제의 초기 사례이다.현재 추가 예가 존재하며, 다른 예는 개발 중입니다.

  • 세균성 엑소다당류를[18] 기반으로 한 일반 목재 접착제
  • USB PRF/Soy 2000 - 콩 가수분해율 50%로 손가락 접합 그린[19] 목재에 뛰어난 상품성 목재 접착제
  • 홍합 접착 단백질은 실험실 세포 및 조직 배양 실험에서 세포를 플라스틱 표면에 부착하는 데 도움이 될 수 있습니다(외부 링크 참조).
  • Notaden 개구리 접착제는 정형외과용 수술 접착제 또는 지혈제로[20] 생물의학 용도로 개발 중입니다.
  • 점막 약물 전달 응용 프로그램입니다.예를 들어 홍합접착단백질 필름은 저약물 용량으로 효과적인 약물 전달을 달성하기 위해 사용되는 합성 하이드로겔인 [21]폴리카르보필과 동등한 점착성을 제공한다.눈이나 코 등 점막 표면과의 유착에 의한 체류시간이 길어지면 [citation needed]약물의 흡수가 향상된다.

다음과 같은 몇 가지 상업적 생산 방법이 연구되고 있습니다.

  • 직접 화학 합성, 예를 들어 합성[22] 폴리머에 L-DOPA 기의 결합
  • 생체접착성 단백질 유전자를 발현하는 트랜스제닉 박테리아 또는 효모의 발효
  • 생체접착물질을 분비하는 자연생물(소형 및 대형)의 재배

무코아디온

바이오 접착제보다 더 구체적인 용어는 점막 접착제이다.내장이나 코와 같은 대부분의 점막 표면은 점액층으로 덮여 있다.따라서 물질이 이 층에 부착되는 것을 점막 [23]접착이라고 한다.점착제는 일반적으로 수소 결합기를 포함하는 고분자로, 젖은 제제나 약품 전달을 위한 건조 분말에서 사용될 수 있다.점막 접착 뒤에 있는 메커니즘은 아직 완전히 설명되지 않았지만, 일반적으로 받아들여지는 이론은 점막 접착제와 점액 사이에 가까운 접촉이 먼저 확립되어야 하고, 점막 접착성 폴리머와 점막의 상호 침투가 이어져야 하며, 그리고 점막 접착성 폴리머와 점막 사이의 얽힘과 화학적 결합의 형성과 함께 마무리되어야 한다는 것입니다.고분자[24]건조 고분자 분말의 경우 점막에서 제제로의 수분 이동에 의해 초기 접착이 이루어질 가능성이 높으며, 이는 또한 점액층의 탈수 및 강화로 이어지는 것으로 나타났다.이후 판데르발스, 수소, 그리고 양전하를 띤 폴리머의 경우 뮤신과 수화 폴리머 사이의 정전 결합이 장기 [citation needed][23]유착을 촉진합니다.

「 」를 참조해 주세요.

점액

레퍼런스

  1. ^ Smith, A.M. & Callow, J.A., ed. (2006) 생물학적 접착제.스프링거, 베를린 ISBN978-3-540-31048-8
  2. ^ Graham, L.D. (2008) 자연에서 얻은 생물학적 접착제.인: 바이오소재 및 바이오메디컬 엔지니어링 백과사전, Eds 제2판.Wnek, G. & Bowlin, G., Informa Healthcare, New York & London, vol.1, 페이지 236-253.
  3. ^ Li, D., Huson, M.G. & Graham, L.D. (2008) 곤충으로부터의 단백질 접착제 분비물, 특히 주머니나방의 알 부착 접착제.아아치 곤충 생화학. 생리.69, 85-105.DOI: 10.1002/arch.20267
  4. ^ Barber, Asa H.; Lu, Dun; Pugno, Nicola M. (2015). "Extreme strength observed in limpet teeth". Journal of the Royal Society Interface. 12 (105). doi:10.1098/rsif.2014.1326. PMID 25694539. S2CID 1507479.
  5. ^ Barber, Asa H.; Lu, Dun; Pugno, Nicola M. (2015). "Extreme strength observed in limpet teeth". Journal of the Royal Society Interface. 12 (105). doi:10.1098/rsif.2014.1326. PMC 4387522. PMID 25694539.
  6. ^ Kang, Victor; Lengerer, Birgit; Wattiez, Ruddy; Flammang, Patrick (2020). "Molecular insights into the powerful mucus-based adhesion of limpets ( Patella vulgata L.)". Open Biology. 10 (6): 200019. doi:10.1098/rsob.200019. PMC 7333891. PMID 32543352.
  7. ^ "Klebstoffe: Die Superhaftkraft der Napfschnecke".
  8. ^ Kang, V.; Lengerer, B.; Wattiez, R.; Flammang, P. (2020). "Molecular insights into the powerful mucus-based adhesion of limpets (Patella vulgata L.)". Open Biology. 10 (6): 200019. doi:10.1098/rsob.200019. PMC 7333891. PMID 32543352.
  9. ^ a b Rzepecki, Leszek M.; Hansen, Karolyn M.; Waite, J. Herbert (August 1992). "Characterization of a Cystine-Rich Polyphenolic Protein Family from the Blue Mussel Mytilus edulis L." Biological Bulletin. 183 (1): 123–137. doi:10.2307/1542413. JSTOR 1542413. PMID 29304577.
  10. ^ a b Jensen, Rebecca A.; Morse, Daniel E. (1988). "The bioadhesive of Phragmatopoma californica tubes: a silk-like cement containing L-DOPA". Journal of Comparative Physiology B. 158 (3): 317–24. doi:10.1007/BF00695330. S2CID 25457825.
  11. ^ Rzepecki, LM; Waite, JH (1993). "The byssus of the zebra mussel, Dreissena polymorpha. II: Structure and polymorphism of byssal polyphenolic protein families". Molecular Marine Biology and Biotechnology. 2 (5): 267–79. PMID 8180628.
  12. ^ Rzepecki, LM; Chin, SS; Waite, JH; Lavin, MF (1991). "Molecular diversity of marine glues: Polyphenolic proteins from five mussel species". Molecular Marine Biology and Biotechnology. 1 (1): 78–88. PMID 1845474.
  13. ^ Burzio, Luis A; Burzio, Veronica A; Pardo, Joel; Burzio, Luis O (2000). "In vitro polymerization of mussel polyphenolic proteins catalyzed by mushroom tyrosinase". Comparative Biochemistry and Physiology B. 126 (3): 383–9. doi:10.1016/S0305-0491(00)00188-7. PMID 11007180.
  14. ^ 레너드 GH, 버트니스 MD, 윤도 포.푸른 홍합인 Mytilus edulis의 게 포식, 수인성 단서, 유도성 방어.생태학.1999;80(1).
  15. ^ Sever M.J.; Weisser, J.T.; Monahan, J.; S., S.; Wilker, J.J. (2004) 해양-홍합 접착제 생성 시 금속 매개 가교.앵귀, 화학. 제43장 (4)호, 448-450호
  16. ^ Monahan, J.; Wilker, J.(2004) 해양 홍합 접착제의 단백질 전구체: 부피 측정 및 경화용 시약.Langmuir 20 (9), 3724-3729
  17. ^ Deming, T.J.(1999) 홍합 바이수스와 생체 분자 재료.Curr. 오피니언 화학. Biol. 3 (1), 100-105
  18. ^ Combie, J., Steel, A. 및 Sweitzer, R. (2004) 자연에 의해 설계된 접착제(및 Redstone Arsenal에서 테스트됨).클린 테크놀로지 및 환경정책 5(4), 258-262.추상적
  19. ^ USB 전단[영구 데드링크]
  20. ^ 그레이엄, L.D.; 글라타우어, V.; 휴슨, M.; 맥스웰, J.M.; 노트, R.B.;화이트, J.W., 본, Y.R., 펑, M.J. 타일러, Werkmeister, J.A., Ramshaw, J.A.(2005) 호주 개구리 노타덴 베넷티에서 분비되는 단백질 기반 접착성 엘라스토머의 특성 분석.생체 고분자 6, 3300-12.추상적
  21. ^ Schnurer, J.; Lehr, C.M.(1996) 홍합 접착 단백질의 점착성.회사명 J. Pharmaceutics 141 (1-2), 251-256
  22. ^ Huang, K.; Lee, B.P.; Ingram, D.R.; Messersmith, P.B. (2002) 생체접착단기를 포함한 자가조립블록공중합체의 합성 및 특성화.생체 고분자 3(2), 397-406
  23. ^ a b J.D. 똑똑해점막 접착의 기본과 기본 메커니즘.Adv Drug Deliv Rev. 57:1556-1568 (2005)
  24. ^ Hägerström, Helene (2003). "Polymer Gels as Pharmaceutical Dosage Forms : Rheological Performance and Physicochemical Interactions at the Gel-Mucus Interface for Formulations Intended for Mucosal Drug Delivery". Diva.

외부 링크