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生体接着剤とは、接着剤として機能する天然高分子材料のことである。この用語は、糖類などの生物学的モノマーから合成的に作られた接着剤を指す場合や、生体組織に接着するように設計された合成材料を指す場合など、より広義に用いられることもある。
生体接着剤はさまざまな物質から構成されますが、タンパク質と炭水化物が主な構成要素です。ゼラチンなどのタンパク質やデンプンなどの炭水化物は、長年にわたり汎用接着剤として使用されてきましたが、その性能上の欠点から、合成代替品に置き換えられてきました。現在、自然界に見られる非常に効果的な接着剤が研究されています。例えば、微生物や海洋軟体動物、甲殻類が分泌する生体接着剤は、バイオミミクリーの観点から研究されています。[ 1 ]さらに、タンパク質や炭水化物のチオール化により、これらのポリマー（チオマー）は、ジスルフィド結合形成を介して、特にケラチンや粘液糖タンパク質などのタンパク質のシステインに富むサブドメインに共有結合することができます。[ 2 ]チオール化キトサンとチオール化ヒアルロン酸は、さまざまな医薬品の生体接着剤として使用されています。[ 3 ] [ 4 ]
生物は、付着、構築、障害物の形成、捕食、防御などのために生体接着剤を分泌することがあります。その用途の例としては、以下のようなものがあります。
生体接着剤の中には非常に強力なものがあります。例えば、成体のフジツボは2 MPa (2 N/mm 2 ) もの引き剥がし力を発揮します。同様に強力で、素早く接着する接着剤は、171種類のタンパク質を含み、湿った表面や不純な表面にも接着できる、非常に硬い[ 5 ] [ 6 ]カサガイの一種であるPatella vulgataによって生成されます。この接着剤は、外科用接着剤の開発やその他のいくつかの用途において非常に興味深い研究対象となっています。[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]クモ類や昆虫も、絹のドープを接着剤として使用できます。
ムール貝やフジツボなどの生物は、水中で不溶化し、さまざまな基質に付着する能力を与える海洋接着タンパク質を分泌します。海洋生物接着剤の主な特徴の1つは、水中で非常に速く（数分以内）重合し、大きな強度を持つことです。[ 10 ] [ 11 ]
ポリフェノールタンパク質と呼ばれることもある小さなタンパク質ファミリーは、ムラサキイガイ(Mytilus edulis) [ 12 ]などの海洋無脊椎動物、一部の藻類、多毛類Phragmatopoma californica [ 13 ]によって産生される。これらのタンパク質には、翻訳後修飾された酸化型チロシンであるL-3,4-ジヒドロキシフェニルアラニン (レボドパ、L-DOPA) [ 13 ]と、ジスルフィド結合 (酸化) 型のシステイン (シスチン) [ 12 ]が高濃度で含まれている。ゼブラガイ( Dreissena polymorpha ) では、Dpfp-1 と Dpfp-2 という 2 つのタンパク質が、足糸と接着板の接合部に局在している。[ 14 ]これらのタンパク質の存在は、一般的に、生体接着剤として機能する材料の硬化に寄与しているようです。[ 15 ]ジヒドロキシフェニルアラニン部分の存在は、チロシンヒドロキシラーゼ型の酵素の作用によって生じます。試験管内では、キノコチロシナーゼを使用してタンパク質を架橋（重合）できることが示されています。[ 16 ]ドーパ含有タンパク質のこれらの特性により、自然界で生物が湿った表面に付着する能力を再現することを目的として、ドーパを組み込んだタンパク質、炭水化物、合成ポリマーの研究が行われています。[ 17 ]
複数の連続した上皮成長因子（EGF）/EGF様ドメインの存在は、海洋接着剤の共通の特徴であることが確認されています。このようなドメインは、40年前にムール貝由来のタンパク質で初めて観察され、その後、カサガイ、ウニ、ヒトデ、イソギンチャクなど、多くの海洋付着生物の生物学的接着剤で観察されました。[ 17 ]
生物付着とは、水生環境において基質上に生物が付着し、その後成長することと定義できます。有機物、無機物、生物、非生物、軟質、硬質など、あらゆる基質で観察されます。基質への定着は、水生生物が生存、摂食、高い繁殖率などを確保するために用いる戦略です。[ 10 ]
カサガイやヒトデなどの生物は、吸引力と粘液状の粘液を用いてステファン接着を形成し、横方向の引き剥がしよりも引き剥がしにくくすることで、付着と移動の両方を可能にしています。胞子、胚、幼生は、コロニー形成に適した表面への初期付着を確実にするために、一時的な接着剤（多くの場合、糖タンパク質）を使用する場合があります。接触時に即座に付着を形成する、感圧性接着剤として機能する粘着性と弾力性のある分泌物は、自己防衛や捕食の文脈で好ましいものです。分子メカニズムには、非共有結合相互作用とポリマー鎖の絡み合いが含まれます。タンパク質、炭水化物、糖タンパク質、ムコ多糖類など、多くの生体高分子が、一時的な接着に寄与するハイドロゲルを形成するために使用できます。
多くの永久的な生体接着剤（例えば、カマキリの卵鞘フォーム）は、共有結合による架橋を介した硬化を伴う「混合活性化」プロセスによって生成されます。非極性表面では、接着メカニズムにはファンデルワールス力が含まれる場合がありますが、極性表面では、水素結合や金属カチオンへの結合（または金属カチオンを介した架橋形成）などのメカニズムによって、より高い接着力が得られる場合があります。
L-DOPAは、追加のヒドロキシル基を持つチロシン残基です。各側鎖の2つのヒドロキシル基は、表面への結合に関して水とよく競合し、水素結合を介して極性結合を形成し、鉱物表面の金属をキレートします。Fe(L-DOPA 3 )錯体自体がムール貝のプラークの多くの架橋と凝集を説明できますが[ 19 ] 、鉄はL-DOPAの酸化を触媒して反応性のキノンフリーラジカルを生成し[ 20 ]、それが共有結合を形成します[ 21 ] 。
生体接着剤は、生体適合性、すなわち皮膚やその他の生体組織に関わる生物医学的用途に有用であることから、商業的に注目されています。湿潤環境や水中でも機能するものもあれば、プラスチックなどの低表面エネルギー（非極性）表面に接着できるものもあります。近年、合成接着剤業界は、有害成分、揮発性有機化合物の排出、石油化学原料由来の接着剤のリサイクルや再生処理の難しさなど、環境問題や健康・安全上の問題に直面しています。原油価格の高騰は、合成接着剤に代わる生物学的代替品への商業的関心を高める可能性もあります。
シェラックは、生体接着剤が実用化された初期の例である。現在では他にも同様の例が存在し、開発中のものもある。
いくつかの商業的な生産方法が研究されている。
生体接着よりも具体的な用語は粘膜接着です。腸や鼻などのほとんどの粘膜表面は粘液層で覆われています。この層への物質の接着は、粘膜接着と呼ばれます。[ 27 ]粘膜接着剤は通常、薬物送達の目的で湿潤製剤または乾燥粉末に使用できる水素結合基を含むポリマーです。粘膜接着の背後にあるメカニズムはまだ完全には解明されていませんが、一般的に受け入れられている理論は、まず粘膜接着剤と粘液との間に密接な接触が確立され、続いて粘膜接着ポリマーとムチンの相互浸透が起こり、最後に高分子間の絡み合いと化学結合が形成されるというものです。[ 28 ]乾燥ポリマー粉末の場合、最初の接着は粘膜から製剤への水の移動によって達成される可能性が最も高く、これは粘液層の脱水と強化にもつながることが示されています。その後、ムチンと水和ポリマーの間にファンデルワールス力、水素結合、そして正に帯電したポリマーの場合は静電結合が形成され、接着が長続きする。[ 27 ]