接着剤を塗ることで出血を止めたり傷を治したりできますか？このバイオニック素材はすごいですね...

制作：中国科学普及協会

著者: ヤン・ウェン

プロデューサー: 中国科学博覧会

小学校の教科書に「瞬間接着剤の発明」という文章があったのを覚えているでしょうか。主人公のコンコンは、出血している傷口にすぐにくっつく瞬間接着剤を発明することを思いつきました。たとえ足や腕が折れても、この「瞬間接着剤」でくっつけることで元通りに戻すことができる。

私たちの日常生活でも、502接着剤、瞬間接着剤、ガラス接着剤など、たくさんの接着剤を目にしてきました。これらの接着剤は割れたガラスなどを素早く強力に接着することができますが、水（人間の血液や体液など）との界面では接着力が失われるか、接着力が非常に低くなります。また、毒性があるため人体に使用することはできません。

では、人体に適した「万能接着剤」は存在するのでしょうか？

医療用組織接着剤として使用できる「接着剤」にはどのようなものがありますか?

理想的な医療用組織接着剤は、いくつかの原則を満たす必要があります。

1. 組織や臓器の湿潤界面との接着力が高く、傷口に貼付した後も剥がれ落ちません。

2. 人体に対して無毒で無害、すなわち生体適合性が良好である。

3. ほとんどの傷は出血を伴うため、効果的に出血を止めることができます。

4. 接着後の周囲組織の押し出しに対応するための適切な引張強度、せん断強度、破断強度などの適切な機械的および物理的特性。

5. 複雑または不規則な傷の輪郭や大きさに対応できます。

既存の臨床用組織接着剤には、出血や体液環境における損傷組織の表面の湿潤など、多くの欠点があり、湿潤組織表面への接着剤の接着力が弱くなり、密封効果が悪く、止血効果が不十分で、細胞毒性があり、創傷治癒が遅くなります。臨床応用の要件を満たし、損傷した組織の急速な止血、シームレスな密封を実現し、創傷治癒を加速する統合医療組織接着剤の開発は、依然として大きな課題です。

困難を乗り越えるために、魔法の生き物たちが助けてくれます!

最近、中国科学院蘇州ナノテクノロジー研究所の戴建武/陳燕燕の研究チームは、ムール貝、ツタ、カキが分泌する天然接着剤にヒントを得て、臨床上のニーズに応じて緊急止血、創傷閉鎖、創傷治癒促進に使用できる注射可能な強力な組織接着剤を開発しました。

この時点で、あなたはこう尋ねるかもしれません。「これらの生物を見たことがあるが、それを使って「万能接着剤」を作ることはできるだろうか？」

それでは、何がそんなに「魔法」なのか見てみましょう。

ムール貝が水中のさまざまな表面に付着できるのは、主に、多数のドーパミン基と正に帯電したアミノ酸を含む足糸タンパク質を分泌できるためです。正に帯電したアミノ酸は界面の水をはじくことができ、多数のドーパミン基は界面の付着物と物理的および化学的に相互作用することができます。

ムール貝

（写真提供：Veer Gallery）

ツタが壁に沿って垂直に成長できるのは、分泌する粘液にアラビノガラクトースと球状糖タンパク質が多く含まれており、粘液が壁を貫通してカルシウムイオンの作用で急速に固まり、ツタが壁にしっかりと付着できるようにするためです。

ツタ

（写真提供：Veer Gallery）

カキは有機物と無機物の複合体である「接着剤」を生成することができます。有機成分は主にタンパク質、無機成分は主に炭酸カルシウムです。接着剤が固まると、セメントのようにカキがサンゴ礁にしっかりと接着されます。この現象はバイオミネラリゼーションとも呼ばれます。

カキ

（写真提供：Veer Gallery）

研究チームは、強力な湿潤表面接着を実現するための重要な要素を組み合わせ、これら3つの動植物の接着メカニズムを模倣して、排水、分子鎖浸透、アンカー架橋という湿潤表面接着の3つの重要なプロセスをシミュレートし、界面水の迅速な除去、多重動的可逆浸透架橋、強化されたバイオミネラリゼーション硬化などの特徴を持つコラーゲンベースの医療用組織接着剤を初めて設計および合成しました。この接着剤は、湿った表面組織への強力な接着、高い密封性能、迅速な自己修復、注入性、優れた形状適応性、高い生体適合性などの特徴を備えており、既存の市販接着剤の問題を解決します。

ほら、一見普通のこの 3 つの生き物が、重要な瞬間に役立つんです!

バイオニクスを模倣する方法がわかりませんか?科学者: 問題ありません、手伝いますよ!

コラーゲンとデンプンは、食品医薬品局によって人体への使用が承認されている 2 つの天然由来のバイオベースポリマーです。この研究では、研究者らはコラーゲン分子鎖にドーパミン基を導入し、ムール貝が分泌するタンパク質の接着メカニズムをシミュレートしました。

一方では、カルシウムイオンがハイドロゲルネットワークと相互作用し、他方では、コラーゲンとデンプンはバイオミネラリゼーションのための優れた複合テンプレートです。ドーパミン基はバイオミネラリゼーションを促進し、牡蠣粒子の強化されたネットワークの形成をシミュレートし、接着ネットワークを強化します。研究者たちはこの合成バイオニック接着剤をCoStと名付けました。

さらに、研究者らは、多数の生体内および生体外の結果を通じて、CoSt 組織接着剤が、高い引張特性、中程度の弾性率、自己修復特性、および注入可能性などの特性を備えていることを確認しました。これらの優れた特性により、CoSt 組織接着剤と周囲の組織間の接続が強化されます。

CoSt組織接着剤の合成（a）と接着メカニズム（b）の模式図

（画像出典：著者）

研究者らはまた、CoSt組織接着剤の止血能力を評価し、ラットの尾切断、肝臓切開、重度の肝臓欠損、腹部大動脈切開、および完全切断脊髄出血モデルを含むさまざまな出血モデルに適用し、さまざまな出血環境における生体内止血性能を検証しました。

結果は、CoSt 組織接着剤が、重大な肝欠損による大量出血であれ、神経切断による圧迫不能な出血であれ、60 秒以内に急速な止血を達成できることを示しました。研究者らは、その主な理由として、CoSt 組織接着剤が優れた創傷密封特性、傑出した赤血球遮断能力、および止血バリア膜を活性化する相乗効果を備えていることが確認されました。

さらに、皮膚切開/欠損損傷の動物モデルにおける研究により、CoSt 組織接着剤が創傷治癒と機能回復を加速できることがさらに確認されました。 CoSt組織接着剤で治療したラットの創傷では瘢痕形成はほとんど見られず、新しい表皮と毛髪の再生が改善されました。

この研究では、いくつかの海洋生物と植物の接着メカニズムを巧みに組み合わせ、これら3つの接着メカニズムを革新的に利用して新しいタイプの組織接着剤を開発しました。緊急治療や非圧縮性組織外傷の止血などの応用シナリオにおいて独自の利点を発揮します。幅広い応用が期待できる医療用組織接着剤です。

まとめ

自然にはさまざまな驚異があります。自然は常に私たちの前にある最も貴重な本です。自然から学ぶことで、研究者はより強力な接着力、より優れた知能、より統合された機能を備えたバイオニック接着剤を開発できるようになります。

編集者：孫晨宇

参考文献:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202211340