Los bioadhesivos son materiales poliméricos naturales que actúan como adhesivos . El término se utiliza a veces de forma más vaga para describir un pegamento formado sintéticamente a partir de monómeros biológicos como azúcares , o para referirse a un material sintético diseñado para adherirse a tejidos biológicos .
Los bioadhesivos pueden consistir en una variedad de sustancias, pero las proteínas y los carbohidratos ocupan un lugar destacado. Proteínas como la gelatina y carbohidratos como el almidón han sido utilizados por el hombre como pegamentos de uso general durante muchos años, pero normalmente sus deficiencias de rendimiento los han visto reemplazados por alternativas sintéticas. Actualmente se están investigando adhesivos altamente eficaces que se encuentran en el mundo natural. Por ejemplo, se están investigando con miras a la biomimética los bioadhesivos secretados por microbios y por moluscos y crustáceos marinos . [1] Además, la tiolación de proteínas y carbohidratos permite que estos polímeros ( tiomeros ) se adhieran covalentemente especialmente a subdominios de proteínas ricos en cisteína, como queratinas o glicoproteínas mucosas, mediante la formación de enlaces disulfuro . [2] El quitosano tiolado y el ácido hialurónico tiolado se utilizan como bioadhesivos en diversos productos medicinales. [3] [4]
Los organismos pueden secretar bioadhesivos para usarlos en la fijación, construcción y obstrucción, así como en depredación y defensa. Los 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/mm 2 ). Un pegamento igualmente fuerte y de rápida adherencia, 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] Los arácnidos e insectos también pueden utilizar la droga de seda como pegamento .
La pequeña familia de proteínas a las que a veces se hace referencia como proteínas polifenólicas es producida 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 oxidada y modificada postraduccionalmente 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 de biso y la placa adhesiva. [ ¿ importante? ] [12] [ ¿relevante? ] La presencia de estas proteínas parece, en general, contribuir al endurecimiento de los materiales que funcionan como bioadhesivos. [13] [ cita necesaria ] La presencia del resto dihidroxifenilalanina surge de la acción de una enzima del tipo tirosina hidroxilasa ; [ cita necesaria ] in vitro, se ha demostrado que las proteínas pueden entrecruzarse (polimerizarse) utilizando una tirosinasa de hongo . [ ¿ importante? ] [14]
Organismos como las lapas y las estrellas de mar utilizan succión y limos parecidos a mocos para crear la adhesión de Stefan , lo que hace que el arranque sea mucho más difícil que el arrastre lateral; esto permite tanto el apego como la movilidad. Las esporas, los embriones y las formas juveniles pueden utilizar adhesivos temporales (a menudo glicoproteínas ) para asegurar su unión 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 entrelazamiento de cadenas poliméricas. Se pueden utilizar muchos biopolímeros (proteínas, carbohidratos , glicoproteínas y mucopolisacáridos ) para formar hidrogeles que contribuyen a la adhesión temporal.
Muchos bioadhesivos permanentes (p. ej., la espuma ootecal de la mantis ) se generan mediante un proceso de "mezcla para activar" que implica el endurecimiento mediante reticulación covalente . En superficies no polares, los mecanismos adhesivos pueden incluir fuerzas de van der Waals , mientras que en superficies polares , mecanismos como los enlaces de hidrógeno y la unión (o la formación de puentes a través) de cationes metálicos pueden permitir que se logren fuerzas de adherencia más altas.
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 quelan los metales en las superficies minerales . El complejo Fe(L-DOPA 3 ) puede por sí solo explicar gran parte de la reticulación y cohesión en la placa de mejillón , [16] pero además el hierro cataliza la oxidación de la L-DOPA [17] a radicales libres quinona reactivos , que continúan para formar 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 ambientes húmedos y bajo el agua, mientras que otros pueden adherirse a superficies de baja energía ( 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.
Shellac es un ejemplo temprano de un bioadhesivo puesto en práctica. Ahora existen ejemplos adicionales, 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 . La adhesión de una materia a esta capa se denomina, por tanto, 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 fines de administración de fármacos. Los mecanismos detrás de la mucoadhesión aún no se han dilucidado completamente, pero una teoría generalmente aceptada es que primero debe establecerse 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 entrelazamientos y enlaces químicos entre las macromoléculas. [25] En el caso de un polvo de polímero seco, lo más probable es que la adhesión inicial se logre mediante el movimiento del agua desde la mucosa hacia la formulación, lo que también se ha demostrado que conduce a la deshidratación y al fortalecimiento de la capa mucosa. La formación posterior de Van der Waals, hidrógeno y, en el caso de un polímero cargado positivamente, enlaces electrostáticos entre las mucinas y el polímero hidratado, promueve una adhesión prolongada. [ cita necesaria ] [24]