醫療用仿生酶界面三網路水凝膠

 
2017/06/22 賴婉婷 | 國立臺灣博物館研究組
歐陽盛菊 | 國立清華大學工業工程與工程管理研究所
歐陽盛芝 | 國立臺灣博物館     312
 

壓敏膠(pressure-sensitive adhesive)是在壓力下產生黏性,失壓後不留殘膠的黏膠。美國猶他大學(University of Utah)斯圖爾特(Russell J. Stewart)教授領導的研究團隊研究沼石蛾(Hesperophylax occidentalis)幼蟲蟲絲之黏附機制,研發出安全無毒性的醫療用仿生壓敏膠,這種仿生酶界面三網路水凝膠具有優良的生物相容性、黏結性、反覆揭貼性、藥物和皮膚相容性、及藥物控釋性等特性,能快速和持久黏合,不妨礙人體自身癒合,且達到使用效果後能逐漸降解與吸收代謝,將可運用於外科手術中局部黏合和修補人體器官與組織、手術後防止傷口縫合處微血管滲血、骨科手術中結合和定位骨骼與關節、齒科手術中修補牙齒與傷口、黏合透過皮膚吸收的藥劑敷料、以及人體組織和器官植入物等。研究成果於2015年11月發表在《英國皇家學會界面》(Journal of The Royal Society Interface)期刊。

 

沼石蛾是水生昆蟲,偏好棲息於無污染的湖泊和溪流環境,為顯示水質的指標昆蟲之一,屬於毛翅目(Trichoptera)直鬚亞目(Integripalpia)沼石蛾科(Limnephilidae)。幼蟲會吐絲黏結植物葉片、莖枝、或砂石粒等水中微小碎屑,環繞身體建築具保護功能的複合管狀巢藏身,攜帶著自由活動覓食,能依體型增長,將巢擴大、並隨時修補。蟲絲的韌性纖維顯示能量消散、非線性黏彈性(viscoelasticity)、和拉伸變形的自癒特性,彈性蟲絲長度能夠延長兩倍、並緩慢恢復原狀,可吸收石材震動力量,增強堅固性,使防水的巢穴能承受幼蟲身體重量和環境水流的多次衝擊。

 

由於自然界的溪流和湖泊常存在細菌或微生物,附著並腐蝕水中的基質表面,產生腐植酸等多酚化合物,研究團隊發現蟲絲的黏附機制是以酶界面的生物黏附與環境基質的多酚界面形成共價交聯,屬於一種具消耗能量黏彈性纖維芯(core)的壓敏膠,施加極微壓力即可在水中永久黏附;增韌機制則是因主成分H-絲心蛋白(H-fibroin)具重複絲氨酸基序的結構蛋白質大量磷酸化,產生磷酸絲氨酸(phosphoserine,簡稱pS),再與正二價鈣離子(Ca2+)交聯形成在應變期間可逆展開的β結構域(β-domains),表現屈服性能(yield behaviour)和限制蟲絲纖維與基質間黏合界面應力的力平線區(force plateau)。蟲絲纖維的初始剛度(initial stiffness)和尺寸(dimensions)之自癒允許應變能量的重複耗散,以保護在高能蟲體環境中的黏合鍵結。

 

他們也發現蟲絲黏彈性纖維芯的周圍層含酸性帶負電荷的醣蛋白,透過靜電作用,與基質界面進行初始黏附,醣羥基(OH)中的氫鍵會與表面締合的金屬配合物發生配體交換(ligands interchange reaction),促進化學界面結合。絲芯周圍還包覆56千道爾頓(kDa,碳12原子質量x1000=12KDa)的PEVK類蛋白(PEVK-like protein)、75千道爾頓的黏附蛋白(Caddisworm silk peroxinectin,簡稱csPxt)、和獨特的超氧化物歧化酶3(superoxide dismutase 3,簡稱csSOD3)。CsSOD3會與環境中的活性氧類作用產生過氧化氫(H2O2),刺激csPxt催化二酪氨酸(dityrosine)和蟲絲表層交聯,最後與外部基質表面的多酚化合物氧化交聯,擴散且相互滲透,形成含腐植酸和天然表面活性多酚的模糊周邊層。由於結合物理及化學交聯的三網路複合機制,不僅產生永久的界面黏附,且可穩定抵抗水的溶解力,使黏合效果更佳。

 

研究團隊因此模仿沼石蛾的黏附機制,在仿生合成強韌雙網路水凝膠增添增添過氧化酶催化共價二酪氨酸交聯的周圍環,製造兼具物理及化學交聯優點的新款醫療用仿生酶界面三網路水凝膠。他們以甲基丙烯酸羥乙酯(hydroxyethyl methacrylamide,簡稱HEMA)、甲基丙烯酸(methacrylic acid,簡稱MAA)、甲基丙烯酰氧乙基胺硫甲醯基-羅丹明(玫瑰紅,methacryloxyethyl thiocarbamoyl-rhodamine,簡稱RhoMA)等合成苯酚共軛聚水凝膠(甲基丙烯酸-2-羥基乙酯-甲基丙烯酸,phenol-conjugated poly,簡稱HEMA-co-MAA),為分子量每莫耳40公斤(kg/mol)的苯酚側鏈共聚物,如同蟲絲具有三個網路:第一個是透過正二價鈣離子與磷酸絲胺酸絡合物交聯形成堅硬的金屬離子依賴網路,第二個是透過正二價鈣離子羧酸鹽(carboxylate)絡合物構成較軟的網路,第三個共價交聯網路包括過氧化酶催化的共價二酪氨酸交聯的周圍環,提供永久合成纖維結構的被動彈性恢復力和記憶力,當合成纖維被卸載時,可引導回收金屬離子交聯的屈服結構域。研究團隊未來還將深入研究沼石蛾黏性蟲絲的生物化學、組裝、結構、機械性能、和黏合機制,研發類似人體組織完全濕潤的雙相材料,發明性能更優異的醫療用仿生壓敏膠。

 

(以上新聞編譯自2015年11月6日發行之Journal of The Royal Society Interface期刊)

(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

 

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館

 
 
  • 來源:
     
    • Wang, C.-S., H. Pan, G. M. Weerasekare, and R. J. Stewart. 2015. Peroxidase-catalysed interfacial adhesion of aquatic caddisworm silk. Journal of The Royal Society Interface, 12(112): 20150710-1-11.
     
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  • 延伸閱讀:
     
    • AskNature Team. 2015. Glue fibers form underwater: a caddisfly. AskNature, May 25, 2015.
    • Kennerson, E. 2016. Want to make waterproof bandages for internal injuries? ask the caddisfly. PBS Newshour, August 22, 2016.
    • University of Utah. 2010. Glue, fly, glue: caddisflies' underwater silk adhesive might suture wounds. ScienceDaily, March 3, 2010.
     
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