生体接着剤

生体接着剤は、接着剤として機能する天然の高分子材料です。この用語は、糖などの生物学的モノマーから合成された接着剤、または生物組織に接着するように設計された合成材料を指すために、より緩く使用されることがあります。

生体接着剤はさまざまな物質から構成されていますが、タンパク質と炭水化物が大きな役割を果たしています。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、長年にわたり人類によって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。自然界で発見された非常に効果的な接着剤は現在調査中です。たとえば、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、タンパク質と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、ジスルフィド結合の形成を介して、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特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、捕食や防御だけでなく、付着、構築、妨害に使用するために生体接着剤を分泌することがあります。例としては、次のような用途があります。

• 表面のコロニー化（例：細菌、藻類、真菌、ムール貝、フジツボ、ワムシ）
• ムール貝の足糸
• 水中の塚に生息する多毛類の虫による管の造成
• 昆虫の 卵、幼虫または蛹の表面（植物、岩石）への付着、および昆虫の交尾プラグ
• 吸血ダニによる宿主への付着
• 一部の昆虫、また一部の魚類（例えばイトヨ）による巣作り
• ノタデンガエルとナマコによる防御
• クモの巣やベルベットワームによる獲物の捕獲

生体接着剤の中には非常に強力なものもあります。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、濡れた表面、湿った表面、不純な表面に接着することができ、非常に硬い^{[5] [6]}カサガイの一種Patella vulgataによって生成されます。この接着性物質は、外科用接着剤の開発やその他のさまざまな用途における非常に興味深い研究対象となっています。^{[7] [8] [9]} クモ形類動物や昆虫は、シルクドープも接着剤として使用することができます。

ポリフェノールタンパク質と呼ばれることもあるタンパク質の小さなファミリーは、ムラサキイガイMytilus edulis ^{[10]などの一部の}海洋無脊椎動物、一部の藻類[^要出典]、および多毛類Phragmatopoma californica ^[11]によって生成されます。これらのタンパク質には、翻訳後修飾を受けた（酸化された）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）^[11]と、ジスルフィド（酸化された）システイン（シスチン） ^[10]が大量に含まれています。ゼブラ貝（Dreissena polymorpha ）では、そのようなタンパク質2つ、Dpfp-1とDpfp-2が足糸と接着性プラークの接合部に局在しています。^{[関連性あり? ] [12] [関連性あり? ]}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。^{[13] [引用が必要]}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タイプの酵素の作用により生じます。^{[引用が必要]試験管内では、タンパク質はキノコ}チロシナーゼを使用して架橋（重合）できることが示されています。^{[関連性あり? ] [14]}

カサガイやヒトデなどの生物は、吸引力と粘液のような粘液を使ってステファン接着を作り、これにより横方向の抵抗よりも引き離しがはるかに困難になり、接着と移動の両方が可能になります。胞子、胚、幼生は、コロニー形成に適した表面への最初の接着を確保するために、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。粘着性と弾力性のある分泌物は、接触するとすぐに接着し、感圧接着剤として機能し、自己防衛と捕食の観点から好ましいものです。分子メカニズムには、非共有結合性相互作用とポリマー鎖の絡み合いが含まれます。多くのバイオポリマー（タンパク質、炭水化物、糖タンパク質、ムコ多糖類）は、一時的な接着に寄与する ハイドロゲルの形成に使用できます。

多くの永久的な生体接着剤（例えば、カマキリの卵嚢泡）は、共有結合による硬化を伴う「混合活性化」プロセスによって生成される。非極性表面では、接着メカニズムにファンデルワールス力が含まれる可能性があるが、極性表面では、水素結合や金属陽イオンへの結合（または金属陽イオンを介した架橋の形成）などのメカニズムによって、より高い接着力を実現できる可能性がある。^[要出典]

• 微生物は酸性多糖類（分子量約100,000 Da）を使用する^[要出典]
• 海洋細菌は炭水化物エキソポリマーを使用して、ガラスに対して最大500000 N/m ^{2の接着強度を実現します[要出典]}
• 海洋無脊椎動物は、不可逆的な接着のためにタンパク質ベースの接着剤を一般的に使用しています。一部のムール貝は極性表面で800,000 N/m ² 、非極性表面で30,000 N/m ^{2の接着力を達成しています[要出典]}。これらの数値は環境に依存しており、捕食性の高い環境ではムール貝は基質への接着力が高くなります。捕食性の高い環境では、捕食者がムール貝を剥がすのに140%以上の力が必要になることがあります^[15]
• 一部の藻類や海洋無脊椎動物は、接着にL-DOPAを含むレックタンパク質を使用する^[要出典]
• カマキリの卵嚢泡状タンパク質は、カテコールオキシダーゼまたはポリフェノールオキシダーゼ酵素によって触媒される日焼け反応を介して、 L-DOPAに関連する小分子によって共有結合的に架橋されています。 ^{[引用が必要]}

L-DOPAは、追加のヒドロキシル基を有するチロシン残基である。各側鎖の2つのヒドロキシル基は、表面への結合において水とよく競合し、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化する。Fe(L-DOPA _{3 )錯体自体は、}ムール貝の歯垢における架橋と凝集の多くを担っているが^[16]、鉄はL-DOPAの酸化を触媒し^{[17]、反応性}キノンフリーラジカルとなり、共有結合を形成する。^[18]

バイオ接着剤は生体適合性がある傾向があり、皮膚やその他の体組織を含む生物医学的用途に有用であるため、商業的に関心を集めています。湿った環境や水中で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の非極性表面に接着できるものもあります。近年、^{[いつ? ]}合成接着剤業界は、危険な成分、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修復の難しさに関する環境問題や健康および安全上の問題の影響を受けています。石油価格の上昇も、合成接着剤の生物学的代替品に対する商業的関心を刺激する可能性があります。

シェラックは、実用化された生体接着剤の初期の例です。現在、他にも実用化されている例があり、開発中のものもあります。

• 細菌性多糖類をベースとした汎用木材 接着剤^[19]
• USB PRF/Soy 2000は、50％大豆加水分解物を含む汎用木材接着剤で、生材のフィンガージョイントに優れています^[20]
• ムール貝の接着タンパク質は、実験室の細胞および組織培養実験において細胞をプラスチック表面に接着するのに役立つ可能性がある（外部リンクを参照）。
• ノタデンフロッググルーは、整形外科用の外科用接着剤や止血剤としてのバイオメディカル用途に向けて開発中です。
• 粘膜薬物送達への応用。例えば、ムール貝の接着タンパク質のフィルムは、低用量の薬物で効果的な薬物送達を実現するために使用される合成ハイドロゲルであるポリカルボフィル^[21]と同等の粘膜接着性を示します。目や鼻などの粘膜表面への接着による滞留時間の延長は、薬物の吸収の改善につながります。^[要出典]
• 多様な臓器の長時間連続画像化（ウェアラブル生体接着伸縮性高解像度超音波画像化パッチを介して、新たな診断およびモニタリングツールを可能にする可能性がある）^[22]

いくつかの商業的な生産方法が研究されています。

• 直接化学合成、例えば合成ポリマーへのL-DOPA基の組み込み^[23]
• 生体接着性タンパク質遺伝子を発現する遺伝子組み換え細菌または酵母の発酵
• 生体接着物質を分泌する自然生物（小型および大型）の養殖

生体接着よりも具体的な用語は粘膜接着です。腸や鼻などの粘膜表面のほとんどは粘液の層で覆われています。したがって、この層への物質の接着は粘膜接着と呼ばれます。^[24]粘膜接着剤は通常、薬物送達の目的で湿式製剤または乾燥粉末で使用できる水素結合基を含むポリマーです。粘膜接着の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の間に密接な接触が確立され、次に粘膜接着ポリマーとムチンが相互浸透し、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。^[25]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高く、これが粘液層の脱水と強化につながることも示されています。その後、ファンデルワールス力、水素、そして正に帯電したポリマーの場合にはムチンと水和ポリマー間の静電結合が形成され、接着が促進される。^{[要出典] [24]}

粘液

• 「ムール貝が外科用接着剤の新たな可能性を示唆」 ScienceDaily の記事、2007 年 12 月。
• ABC テレビの科学番組Catalystでカエルの接着剤の話が紹介されました。
• 「海藻がバイオメディカル接着剤の改良の鍵を握る」、ヘルスケアのためのバイオマテリアル：EU 資金による 10 年間の研究^{[永久リンク切れ‍ ]}、p. 23
• 粘膜付着性ゲルに関する論文
• 「マリー・キュリープロジェクト」[1] 刺胞動物ヒドラをモデル生物として用いた生体接着に関する研究
• 米国国立医学図書館の医学件名標目(MeSH)の adhesion_protein,_mussel