Биомиметические медицинские клеи

Любой промышленный клей рассчитан на сухую, жёсткую и химически инертную поверхность. Ткань не является ни тем, ни другим, ни третьим. Она покрыта связанным гидратным слоем, механически мягкая, движется с каждым сокращением сердца и вдохом и постоянно обновляется: поверхность, которую хирург склеил сегодня, через неделю частично исчезнет. Поэтому медицинский клей отказывает не из-за нехватки энергии химической связи, а потому что связи не доходят до подложки — либо потому что удерживаемое отслаивается снизу.

Вытеснить воду

Первая трудность лежит на границе раздела. Вода здесь не загрязнение, которое можно стереть: она связана водородными связями с поверхностью ткани и термодинамически неохотно уходит. Клей, опирающийся только на водородные связи, соперничает с водой на её условиях и проигрывает.

Морские организмы решили эту задачу, и биомиметическая химия в основном сошлась на их решении. Адгезивные белки ноги мидии содержат L-ДОФА, возникающую при посттрансляционном гидроксилировании тирозина. Полученный катехол — два соседних гидроксила на ароматическом кольце — необычно хорошо добирается до мокрой поверхности: образует бидентатные водородные связи, прочно координируется с оксидами металлов и железом и способен вытеснять межфазную воду, а не просто лежать на ней. Отсюда и повторяемость: полимеры с катехольными группами возникают в совершенно разных по назначению продуктах.

Вторую половину — доставку — даёт песчаный червь-строитель. Его цемент представляет собой сложный коацерват: противоположно заряженные полифосфосериновые и полиосновные белки расслаиваются в плотную жидкость с очень низким межфазным натяжением к воде. Коацерват не рассеивается при введении во влажное поле, а растекается и смачивает поверхность до отверждения. Это принцип рецептуры, а не химии, и именно поэтому часть герметиков вводят жидкостью, тогда как плёнка из того же материала была бы бесполезна.

Конфликт, задающий потолок

Катехольная адгезия несёт внутреннее противоречие. Окисляясь до хинона, катехол становится реакционноспособным и сшивается с аминами и тиолами, придавая материалу когезионную прочность. Но то же окисление расходует восстановленный катехол, который отвечал за связь с поверхностью. Адгезия и когезия черпают из одного химического запаса, и состав, прочный внутри, обычно слабо прикреплён. Мидия разводит эти реакции в пространстве и во времени — богатый цистеином белок поддерживает восстановленное состояние на границе, — и синтетическим однокомпонентным системам это воспроизвести трудно.

Ещё два ограничения механические, а не химические. Жёсткий клей на мягкой ткани концентрирует напряжение по краям шва, поэтому герметик с несогласованным модулем упругости отслаивается при циклической нагрузке даже при отличной прочности на сдвиг на испытательном образце. И деградировать клей обязан в темпе заживления: слишком медленно — он становится инородным телом, слишком быстро — освобождает шов раньше, чем ткань начнёт держать сама.

Поэтому стендовые цифры плохо переносятся в клинику. Давление разрыва по ASTM F2392 или прочность закрытия раны по ASTM F2458 измеряют на подложке, которая не кровит, не движется и не ремоделируется. По регламенту MDR 2017/745 доказывать приходится клиническую эффективность в конкретном показании — а показания различаются между собой куда сильнее, чем химия.