لاصق حيوي

📅 آخر تحديث: ٢ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢ أغسطس ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

المواد اللاصقة الحيوية هي مواد بوليمرية طبيعية تعمل كمواد لاصقة . ويُستخدم المصطلح أحيانًا بشكل أوسع لوصف مادة لاصقة مُصنّعة من مونومرات بيولوجية مثل السكريات ، أو للدلالة على مادة اصطناعية مصممة للالتصاق بالأنسجة البيولوجية .

قد تتكون المواد اللاصقة الحيوية من مجموعة متنوعة من المواد، ولكن البروتينات والكربوهيدرات تشكلان جزءًا أساسيًا منها. وقد استخدم الإنسان البروتينات، مثل الجيلاتين ، والكربوهيدرات ، مثل النشا، كمواد لاصقة عامة الأغراض لسنوات عديدة، ولكن عادةً ما أدت أوجه قصور أدائها إلى استبدالها ببدائل اصطناعية. وتخضع المواد اللاصقة عالية الفعالية الموجودة في الطبيعة حاليًا للدراسة. فعلى سبيل المثال، تُجرى أبحاث على المواد اللاصقة الحيوية التي تفرزها الميكروبات والرخويات والقشريات البحرية بهدف محاكاة الطبيعة . [ 1 ] علاوة على ذلك، فإن إضافة مجموعة الثيول إلى البروتينات والكربوهيدرات تُمكّن هذه البوليمرات (الثيومرات ) من الالتصاق تساهميًا ، وخاصةً بالمناطق الفرعية الغنية بالسيستين في البروتينات، مثل الكيراتينات أو البروتينات السكرية المخاطية، عبر تكوين روابط ثنائية الكبريتيد . [ 2 ] ويُستخدم الكيتوزان المُثيول وحمض الهيالورونيك المُثيول كمواد لاصقة حيوية في العديد من المنتجات الطبية. [ 3 ] [ 4 ]

المواد اللاصقة الحيوية في الطبيعة

قد تفرز الكائنات الحية مواد لاصقة حيوية لاستخدامها في الالتصاق والبناء والعرقلة، وكذلك في الافتراس والدفاع. ومن الأمثلة على ذلك استخدامها في:

تتميز بعض المواد اللاصقة الحيوية بقوة فائقة. فعلى سبيل المثال، تصل قوة سحب البرنقيل البالغ إلى 2 ميجا باسكال (2 نيوتن/مم² ) . وبالمثل، ينتج نوع من المحار الصلب للغاية، يُدعى Patella vulgata ، مادة لاصقة قوية وسريعة الالتصاق، تحتوي على 171 بروتينًا مختلفًا، وتستطيع الالتصاق بالأسطح الرطبة والمبللة وغير النقية. [ 5 ] [ 6 ] وتُعد هذه المادة اللاصقة موضوعًا بحثيًا هامًا في تطوير المواد اللاصقة الجراحية والعديد من التطبيقات الأخرى. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] كما يمكن استخدام مادة الحرير اللاصقة من قِبل العناكب والحشرات .

البروتينات البوليفينولية

تفرز كائنات حية مثل بلح البحر والبرنقيل بروتينات لاصقة بحرية غير قابلة للذوبان، مما يمنحها القدرة على الالتصاق بمختلف الأسطح في البيئة المائية. ومن أبرز خصائص المواد اللاصقة الحيوية البحرية قدرتها على التبلمر بسرعة كبيرة في الماء (في غضون دقائق معدودة)، وبقوة متفاوتة. [ 10 ] [ 11 ]

تُنتج بعض اللافقاريات البحرية ، مثل بلح البحر الأزرق ( Mytilus edulis) [ 12 ] وبعض الطحالب ، والديدان الحلقية (Phragmatopoma californica ) [13]، مجموعة صغيرة من البروتينات تُعرف أحيانًا باسم البروتينات متعددة الفينول . تحتوي هذه البروتينات على نسبة عالية من شكل مؤكسد من التيروسين، وهو L-3,4-ثنائي هيدروكسي فينيل ألانين (ليفودوبا، L-DOPA) [13]، بالإضافة إلى شكل ثنائي الكبريتيد (المؤكسد) من السيستين (السيستين) [ 12 ] . في بلح البحر المخطط ( Dreissena polymorpha ) ، يتمركز بروتينان من هذه البروتينات، Dpfp-1 وDpfp-2، في منطقة اتصال خيوط البيسوس باللويحة اللاصقة [ 14 ] . يبدو أن وجود هذه البروتينات، بشكل عام، يُسهم في تصلب المواد التي تعمل كمواد لاصقة حيوية. [ 15 ] ينشأ وجود جزء ثنائي هيدروكسي فينيل ألانين من عمل إنزيم من نوع تيروسين هيدروكسيلاز ؛ وقد ثبت في المختبر أن البروتينات يمكن ربطها (بلمرتها) باستخدام تيروسيناز الفطر . [ 16 ] أدت هذه الخصائص للبروتينات المحتوية على الدوبا إلى إجراء أبحاث على البروتينات والكربوهيدرات والبوليمرات الاصطناعية المدمجة بالدوبا بهدف محاكاة قدرة الكائنات الحية على الالتصاق بالأسطح الرطبة في الطبيعة. [ 17 ]

تم تحديد وجود نطاقات متعددة متتالية من عامل نمو البشرة (EGF) أو نطاقات شبيهة بـEGF كسمة شائعة للمواد اللاصقة البحرية؛ وقد لوحظت هذه النطاقات لأول مرة في البروتينات المشتقة من بلح البحر منذ 40 عامًا، ثم لوحظت لاحقًا في المواد اللاصقة البيولوجية للعديد من الكائنات الحية البحرية الملوثة، بما في ذلك الليمبيت وقنافذ البحر ونجم البحر وشقائق النعمان البحرية. [ 17 ]

يمكن تعريف التلوث البيولوجي بأنه التصاق الكائنات الحية ونموها اللاحق على سطح ما في البيئة المائية. ويمكن ملاحظته على أي سطح، سواء كان عضويًا أو غير عضوي، حيويًا أو غير حيوي، لينًا أو صلبًا. ويُعد الاستقرار على سطح ما استراتيجية تستخدمها الكائنات المائية لضمان البقاء والتغذية ومعدل تكاثر عالٍ، وما إلى ذلك. [ 10 ]

التصاق مؤقت

تستخدم كائنات حية مثل الليمبيت ونجم البحر الشفط وإفرازات مخاطية لتكوين التصاق ستيفان ، مما يجعل الانفصال أصعب بكثير من السحب الجانبي؛ وهذا يسمح بالالتصاق والحركة. قد تستخدم الأبواغ والأجنة والأطوار اليافعة مواد لاصقة مؤقتة (غالبًا بروتينات سكرية ) لتأمين التصاقها الأولي بالأسطح الملائمة للاستعمار. تُعد الإفرازات اللزجة والمرنة التي تعمل كمواد لاصقة حساسة للضغط ، والتي تُشكل التصاقات فورية عند التلامس، مفضلة في سياق الدفاع عن النفس والافتراس . تشمل الآليات الجزيئية التفاعلات غير التساهمية وتشابك سلاسل البوليمر. يمكن استخدام العديد من البوليمرات الحيوية - البروتينات والكربوهيدرات والبروتينات السكرية والسكريات المخاطية - لتكوين هيدروجيلات تُساهم في الالتصاق المؤقت.

الالتصاق الدائم

تُصنع العديد من المواد اللاصقة الحيوية الدائمة (مثل رغوة بيض فرس النبي ) من خلال عملية "الخلط للتنشيط" التي تتضمن التصلب عبر الترابط التساهمي . على الأسطح غير القطبية، قد تشمل آليات الالتصاق قوى فان دير فالس ، بينما على الأسطح القطبية، قد تسمح آليات مثل الروابط الهيدروجينية والارتباط (أو تكوين جسور عبر) الكاتيونات المعدنية بتحقيق قوى التصاق أعلى.

  • تستخدم الكائنات الدقيقة عديدات السكاريد الحمضية ( الكتلة الجزيئية حوالي 100000 دالتون )
  • تستخدم البكتيريا البحرية البوليمرات الخارجية الكربوهيدراتية لتحقيق قوة ربط بالزجاج تصل إلى 500000 نيوتن/متر مربع
  • تستخدم اللافقاريات البحرية عادةً مواد لاصقة بروتينية للالتصاق الدائم. تصل قوة التصاق بعض بلح البحر إلى 800,000 نيوتن/م² على الأسطح القطبية و30,000 نيوتن/م² على الأسطح غير القطبية، وتعتمد هذه الأرقام على البيئة، إذ يزداد التصاق بلح البحر بالركائز في بيئات الافتراس الشديد. في هذه البيئات، قد يحتاج المفترسون إلى قوة أكبر بنسبة 140% لإزاحة بلح البحر [ 18 ] .
  • تستخدم بعض الطحالب واللافقاريات البحرية بروتينات تحتوي على ليفودوبا لتحقيق الالتصاق.
  • يتم ربط البروتينات الموجودة في رغوة البيض لدى فرس النبي بشكل تساهمي بواسطة جزيئات صغيرة مرتبطة بـ L-DOPA من خلال تفاعل دباغة يتم تحفيزه بواسطة إنزيمات أوكسيداز الكاتيكول أو أوكسيداز البوليفينول .

يُعدّ L-DOPA بقايا تيروسين تحمل مجموعة هيدروكسيل إضافية . تتنافس مجموعتا الهيدروكسيل في كل سلسلة جانبية مع الماء للارتباط بالأسطح، وتُشكّلان روابط قطبية عبر روابط هيدروجينية ، وتُخلّبان المعادن الموجودة على أسطح المعادن . يُمكن لمركب Fe(L-DOPA 3 ) أن يُساهم بشكل كبير في الترابط والتماسك في لويحة بلح البحر ، [ 19 ] بالإضافة إلى ذلك، يُحفّز الحديد أكسدة L-DOPA [ 20 ] إلى جذور الكينون الحرة النشطة ، والتي تُشكّل بدورها روابط تساهمية. [ 21 ]

التطبيقات

تُعدّ المواد اللاصقة الحيوية ذات أهمية تجارية نظرًا لتوافقها الحيوي، أي أنها مفيدة للتطبيقات الطبية الحيوية التي تشمل الجلد أو أنسجة الجسم الأخرى. بعضها يعمل في البيئات الرطبة وتحت الماء، بينما يلتصق البعض الآخر بأسطح ذات طاقة سطحية منخفضة - غير قطبية كالبلاستيك . في السنوات الأخيرة، تأثرت صناعة المواد اللاصقة الاصطناعية بالمخاوف البيئية وقضايا الصحة والسلامة المتعلقة بالمكونات الخطرة، وانبعاثات المركبات العضوية المتطايرة ، وصعوبات إعادة تدوير أو معالجة المواد اللاصقة المشتقة من المواد البتروكيماوية . وقد يُحفّز ارتفاع أسعار النفط أيضًا الاهتمام التجاري بالبدائل البيولوجية للمواد اللاصقة الاصطناعية.

يُعدّ الشيلاك مثالاً مبكراً على استخدام المواد اللاصقة الحيوية عملياً. وتوجد أمثلة أخرى الآن، بالإضافة إلى أمثلة أخرى قيد التطوير.

يجري البحث في العديد من أساليب الإنتاج التجارية:

الالتصاق المخاطي

يُعدّ مصطلح الالتصاق المخاطي أكثر تحديدًا من مصطلح الالتصاق الحيوي . تُغطى معظم الأسطح المخاطية، كالأمعاء والأنف، بطبقة من المخاط . ولذا يُطلق على التصاق أي مادة بهذه الطبقة اسم الالتصاق المخاطي. [ 27 ] عادةً ما تكون عوامل الالتصاق المخاطي بوليمرات تحتوي على مجموعات روابط هيدروجينية، ويمكن استخدامها في تركيبات رطبة أو مساحيق جافة لأغراض توصيل الأدوية. لم تُفهم آليات الالتصاق المخاطي فهمًا كاملًا بعد، ولكن النظرية المقبولة عمومًا هي أنه يجب أولًا إقامة اتصال وثيق بين عامل الالتصاق المخاطي والمخاط، يليه تداخل البوليمر المُلتصق المخاطي مع الميوسين، وينتهي بتكوين تشابكات وروابط كيميائية بين الجزيئات الكبيرة. [ 28 ] في حالة مسحوق البوليمر الجاف، يُرجّح أن يتحقق الالتصاق الأولي عن طريق انتقال الماء من الغشاء المخاطي إلى التركيبة، والذي ثبت أيضًا أنه يؤدي إلى جفاف طبقة المخاط وتقويتها. يعزز التكوين اللاحق لروابط فان دير فالس والهيدروجين، وفي حالة البوليمر المشحون إيجابياً، الروابط الكهروستاتيكية بين الميوسينات والبوليمر المائي، الالتصاق لفترة طويلة. [ 27 ]

انظر أيضاً

مادة مخاطية

مراجع

  1. ↑ سميث، أ.م. وكالو، ج.أ.، محرران. (2006) المواد اللاصقة البيولوجية. سبرينغر، برلين. ISBN 978-3-540-31048-8
  2. ↑ ليشنر، سي؛ جيلكمان، إم؛ بيرنكوب-شنورش، إيه (2019). "البوليمرات المثيولة: بوليمرات مستوحاة من الطبيعة تستخدم أحد أهم الهياكل الرابطة في الطبيعة". مراجعات متقدمة لتوصيل الأدوية . 151-152 : 191-221 . doi : 10.1016/j.addr.2019.04.007 . PMID 31028759. S2CID 135464452 .  
  3. ↑ فيدرر، سي؛ كوربييرز، إم؛ بيرنكوب-شنورش، إيه (2021). "الكيتوزانات المثيولة: فئة متعددة المواهب من البوليمرات لتطبيقات متنوعة" . الجزيئات الحيوية الكبيرة . 22 (1): 24-56 . doi : 10.1021/acs.biomac.0c00663 . PMC 7805012. PMID 32567846 .  
  4. ↑ غريسر، ج؛ هيتيني، ج؛ بيرنكوب-شنورش، أ (2018). "حمض الهيالورونيك المُثيول كبوليمر لاصق مخاطي متعدد الاستخدامات: من الكيمياء الكامنة وراءه إلى تطوير المنتجات - ما هي إمكانياته؟" . بوليمرات . 10 ( 3): 243. doi : 10.3390/polym10030243 . PMC 6414859. PMID 30966278 .  
  5. ↑ باربر، آسا هـ.؛ لو، دون؛ بونيو، نيكولا م. (2015). " قوة فائقة لوحظت في أسنان المحار" . مجلة الجمعية الملكية للعلوم البينية . 12 (105). doi : 10.1098/rsif.2014.1326 . PMC 4387522. PMID 25694539. S2CID 1507479 .   
  6. ↑ باربر، آسا هـ.؛ لو، دون؛ بونيو، نيكولا م. (2015). "قوة فائقة لوحظت في أسنان المحار" . مجلة الجمعية الملكية للعلوم البينية . 12 (105). doi : 10.1098/rsif.2014.1326 . PMC 4387522. PMID 25694539 .  
  7. ^ كانغ، فيكتور. لينجرير، بيرجيت؛ واتيس، رودي. فلامانج ، باتريك (2020). "رؤى جزيئية حول الالتصاق القوي القائم على المخاط للبطلينوس (Patella vulgata L.)" . فتح علم الأحياء . 10 (6) 200019. دوى : 10.1098/rsob.200019 . بمك 7333891 . بميد 32543352 .  
  8. ^ "Klebstoffe: Die Superhaftkraft der Napfschnecke" .
  9. ^ كانغ، ف. لينجيرر، ب. واتيس، ر.؛ فلامانج، ب. (2020). "رؤى جزيئية حول الالتصاق القوي القائم على المخاط للبطلينوس ( Patella vulgata L.)" . فتح علم الأحياء . 10 (6) 200019. دوى : 10.1098/rsob.200019 . بمك 7333891 . بميد 32543352 .  
  10. 1 2 فولون، فالنتين؛ أرتيجود، سيباستيان؛ بوسكاجليا، مانون؛ بيرناي، بينوا؛ فابيو، كارولين؛ بيتون، برونو؛ إليس، فيليب؛ بوكرما، كدة؛ هيليو، كلير؛ جيرارد، فابيان. بودري ، بيير (17 أكتوبر 2018). "الإفراز البروتيني للمادة اللاصقة الحيوية المنتجة أثناء زحف واستيطان يرقات Crassostrea gigas" . التقارير العلمية . 8 (1) 15298. بيب كود : 2018NatSR...815298F . دوى : 10.1038/s41598-018-33720-4 . بمك 6193008 . بميد 30333557 .  
  11. ↑ ياماموتو، هيرويوكي؛ نيشيدا، أياكو؛ أوكاوا، كوساكو (أبريل 1999). "قابلية التبلل والالتصاق للبروتينات اللاصقة البحرية وما يتصل بها". الغرويات والأسطح أ: الجوانب الفيزيائية والكيميائية والهندسية . 149 ( 1-3 ): 553-559 . doi : 10.1016/S0927-7757(98)00302-1 .
  12. 1 2 رزيبكي، ليزيك م.؛ هانسن، كارولين م.؛ وايت، ج. هربرت (أغسطس 1992). "توصيف عائلة بروتينات بوليفينولية غنية بالسيستين من بلح البحر الأزرق Mytilus edulis L." النشرة البيولوجية . 183 (1): 123-137 . doi : 10.2307/1542413 . JSTOR 1542413. PMID 29304577 .  
  13. 1 2 جنسن، ريبيكا أ.؛ مورس، دانيال إي. (1988). "المادة اللاصقة الحيوية لأنابيب نبات الفراغماتوبوما كاليفورنيكا : مادة لاصقة شبيهة بالحرير تحتوي على ليفودوبا". مجلة علم وظائف الأعضاء المقارن ب . 158 (3): 317-24 . doi : 10.1007/BF00695330 . S2CID 25457825 . 
  14. ↑ رزيبيكي، إل إم؛ وايت، جيه إتش (1993). "خيوط بلح البحر المخطط، دريسينا بوليمورفا. الجزء الثاني: بنية وتعدد أشكال عائلات البروتينات البوليفينولية في الخيوط". علم الأحياء البحرية الجزيئي والتكنولوجيا الحيوية . 2 (5): 267-279 . PMID 8180628 . 
  15. ↑ رزيبكي، إل إم؛ تشين، إس إس؛ وايت، جيه إتش؛ لافين، إم إف (1991). "التنوع الجزيئي للمواد اللاصقة البحرية: البروتينات متعددة الفينول من خمسة أنواع من بلح البحر". علم الأحياء البحرية الجزيئي والتكنولوجيا الحيوية . 1 (1): 78-88 . PMID 1845474 . 
  16. ↑ بورزيو، لويس أ؛ بورزيو، فيرونيكا أ؛ باردو، جويل؛ بورزيو، لويس أ (2000). "بلمرة بروتينات البوليفينول في بلح البحر في المختبر، محفزة بواسطة إنزيم التيروزيناز الفطري". الكيمياء الحيوية المقارنة وعلم وظائف الأعضاء ب . 126 (3): 383-389 . doi : 10.1016/S0305-0491(00)00188-7 . PMID 11007180 . 
  17. 1 2 تشوي، جيمين؛ لي، سيونغ هيون؛ لي، يونغ جين؛ هوانغ، دونغ سو (2 يناير 2025). "الكائنات الحية اللزجة تُكوّن مواد لاصقة بيولوجية تحت الماء مدفوعةً بالتفاعلات بين عديدات السكاريد المحتوية على عامل نمو البشرة (EGF) وN-أسيتيل جلوكوزامين (GlcNAc)" . مجلة نيتشر كوميونيكيشنز . 16 (1) 233. رمز Bibcode : 2025NatCo..16..233C . doi : 10.1038/s41467-024-55476-4 . PMC 11697411 . 
  18. ↑ ليونارد جي إتش، بيرتنيس إم دي، يوندو بي أو. افتراس السرطان، والإشارات المنقولة بالماء، والدفاعات المستحثة في بلح البحر الأزرق، Mytilus edulis. علم البيئة. 1999؛80(1).
  19. ↑ سيفر إم جيه؛ فايسر، جيه تي؛ موناهان، جيه؛ سرينيفاسان، إس؛ ويلكر، جيه جيه (2004) الربط المتقاطع بوساطة المعادن في توليد مادة لاصقة من بلح البحر. Angew. Chem. Int. Ed. 43 (4)، 448-450
  20. ↑ موناهان، ج.؛ ويلكر، ج. ج. (2004) الربط المتشابك للبروتين الأولي للمواد اللاصقة في بلح البحر البحري: قياسات إجمالية وكواشف للمعالجة. لانغمير 20 (9)، 3724-3729
  21. ↑ ديمينغ، تي جيه (1999) خيوط بلح البحر والمواد الجزيئية الحيوية. الرأي الحالي في الكيمياء الحيوية 3 (1)، 100-105
  22. ↑ كومبي، ج.، ستيل، أ.، وسويتزر، ر. (2004). مادة لاصقة صممتها الطبيعة (وتم اختبارها في ترسانة ريدستون). التقنيات النظيفة والسياسة البيئية 5 (4)، 258-262. ملخص
  23. ↑ منشور USB
  24. ↑ شنورر، ج.؛ لير، سي إم (1996) الخصائص المخاطية اللاصقة لبروتين لاصق بلح البحر. المجلة الدولية للصيدلة 141 (1-2)، 251-256
  25. ↑ وانغ، تشونغهي؛ تشين، شياويو؛ وانغ، ليو؛ ماكيهاتا، ميتسوتوشي؛ ليو، شياو-تشوان؛ تشو، تاو؛ تشاو، شوانهي (29 يوليو 2022). "الموجات فوق الصوتية اللاصقة الحيوية للتصوير المستمر طويل الأمد لأعضاء متنوعة" (ملف PDF) . مجلة ساينس . 377 (6605): 517-523 . doi : 10.1126/science.abo2542 . ISSN 0036-8075 . PMID 35901155. S2CID 251158622 .   
  26. ↑ هوانغ، ك.؛ لي، ب.ب.؛ إنغرام، د.ر.؛ ميسرسميث، ب.ب. (2002) تخليق وتوصيف البوليمرات الكتلية ذاتية التجميع التي تحتوي على مجموعات طرفية لاصقة بيولوجيًا. الجزيئات الحيوية الكبيرة 3 (2)، 397-406
  27. 1 2 ج.د. سمارت. أساسيات وآليات الالتصاق المخاطي. مجلة أدفانسد دراغ ديليفري ريفيو 57: 1556-1568 (2005)
  28. ↑ هاجرستروم، هيلين (2003). "الهلامات البوليمرية كأشكال جرعات صيدلانية: الأداء الريولوجي والتفاعلات الفيزيائية والكيميائية عند سطح التماس بين الهلام والمخاط للتركيبات المخصصة لتوصيل الأدوية عبر الأغشية المخاطية" . ديفا .