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 tejido biológico .
Los bioadhesivos pueden estar compuestos por 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 por lo general sus deficiencias de rendimiento han hecho que se reemplazaran 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 . [1] Además, la tiolación de proteínas y carbohidratos permite que estos polímeros ( tiomeros ) se adhieran covalentemente especialmente a subdominios ricos en cisteína de proteínas como las queratinas o las glicoproteínas mucosas a través de la formación de enlaces disulfuro . [2] El quitosano tiolado y el ácido hialurónico tiolado se utilizan como bioadhesivos en varios productos medicinales. [3] [4]
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:
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 [5] [6] Patella vulgata ; este material adhesivo es un tema de investigación muy interesante en el desarrollo de adhesivos quirúrgicos y varias otras aplicaciones. [7] [8] [9] La seda también puede ser utilizada como pegamento por arácnidos e insectos .
La pequeña familia de proteínas a las que a veces se hace referencia como proteínas polifenólicas son producidas por algunos invertebrados marinos como el mejillón azul, Mytilus edulis [10] por algunas algas [ cita requerida ] , y por el poliqueto Phragmatopoma californica . [11] Estas proteínas contienen un alto nivel de una forma modificada postraduccionalmente (oxidada) de tirosina, L-3,4-dihidroxifenilalanina (levodopa, L-DOPA) [ 11] así como la forma disulfuro (oxidada) de cisteína ( cistina ). [10] En el mejillón cebra ( Dreissena polymorpha ), dos de estas proteínas, Dpfp-1 y Dpfp-2, se localizan en la unión entre los hilos del biso y la placa adhesiva. [ relevante? ] [12] [ relevante? ] La presencia de estas proteínas parece, en general, contribuir al endurecimiento de los materiales que funcionan como bioadhesivos. [13] [ cita requerida ] La presencia de la fracción de dihidroxifenilalanina surge de la acción de una enzima de tipo tirosina hidroxilasa ; [ cita requerida ] in vitro, se ha demostrado que las proteínas se pueden reticular (polimerizar) utilizando una tirosinasa de hongo . [ ¿relevante? ] [14]
Organismos como las lapas y las estrellas de mar utilizan succión y babas similares a moco para crear adhesión de Stefan , lo que hace que el desprendimiento sea mucho más difícil que el arrastre lateral; esto permite tanto la fijación como la movilidad. Las esporas, embriones y formas juveniles pueden utilizar adhesivos temporales (a menudo glicoproteínas ) para asegurar su fijación inicial a superficies favorables para la colonización. Las secreciones pegajosas y elásticas que actúan como adhesivos sensibles a la presión , formando uniones 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 usarse para formar hidrogeles que contribuyen a la adhesión temporal.
Muchos bioadhesivos permanentes (por ejemplo, la espuma ootecal de la mantis ) se generan mediante un proceso de "mezcla para activar" que implica el 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. [ cita requerida ]
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-DOPA 3 ) puede explicar en sí mismo gran parte de la reticulación y la cohesión en la placa de mejillón , [16] pero además el hierro cataliza la oxidación de la L-DOPA [17] a radicales libres de quinona reactivos , que luego forman enlaces covalentes. [18]
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 entornos 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, [ ¿cuándo? ] 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 otros ejemplos y otros están en desarrollo:
Se están investigando varios métodos comerciales de producción:
Un término más específico que bioadhesión es mucoadhesión . La mayoría de las superficies mucosas, como las del intestino o la nariz, están cubiertas por una capa de moco . Por lo tanto, la adhesión de una materia a esta capa se denomina mucoadhesión. [24] 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 detrás de la mucoadhesión aún no se han dilucidado por completo, pero una teoría generalmente aceptada es que primero se debe establecer un contacto estrecho entre el agente mucoadhesivo y el moco, seguido de la interpenetración del polímero mucoadhesivo y la mucina y terminando con la formación de enredos y enlaces químicos entre las macromoléculas. [25] 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 cargado positivamente, de enlaces electrostáticos entre las mucinas y el polímero hidratado promueve una adhesión prolongada. [ cita requerida ] [24]