Auto-reparare și alte proprietăți ale biopolimerilor de pectină

Cercetătorii de la Harvard Medical School, de la Universitatea din Heidelberg și de la Universitatea Johannes Gutenberg din Mainz au investigat auto-repararea indusă de apă a peliculelor de biopolimer de pectină și au evaluat efectele acesteia asupra proprietăților materialului. Descoperirile lor au fost publicate în jurnal Polimeri.

Studiu: Proprietăți optice și mecanice ale biopolimerilor de pectină cu auto-reparare. Credit imagine: Michelle Lee Photography/Shutterstock.com

Biopolimeri de pectină

În domeniul cercetării biomedicale, oamenii de știință dezvoltă constant noi materiale pentru o varietate de aplicații. Printre materialele bio-derivate, biopolimerii polizaharidici au fost în centrul cercetării în ultimii ani. Au fost evaluate mai multe materiale naturale, inclusiv celuloza, chitina, alginatul și pectina.

Pectina a arătat o promisiune deosebită pentru aplicațiile biomedicale. Această polizaharidă este extrem de abundentă și posedă caracteristici funcționale și chimice unice. Pectina este implicată în aderența intercelulară și oferă pereților celulelor plantelor rezistență mecanică. Recent, cercetările au indicat că pectina ajută și la legarea în organele viscerale, jucând potențial un rol în vindecare și repararea țesuturilor.

Cercetările privind rolul său în legarea suprafețelor mezoteliale în organisme au evidențiat potențialul pectinei ca bioadeziv. Aderența pectinei este încă puțin înțeleasă, dar pare să necesite o fază de umectare. Această fază de umectare, prin interacțiunea unei interfețe lichide, permite suprafețelor să adere între ele și îmbunătățește interacțiunea dintre ele.

Aderența indusă de apă a peliculelor de pectină întărite în paralel.  (A) Schema filmelor de pectină în faza de sticlă (gri) și faza de gel (albastru).  (-) indică nicio aderență, în timp ce (+) indică o interacțiune adezivă între filme.  (B) Folosind un test de aderență definit anterior, filmele de pectină au fost comprimate ușor (5N) pentru un timp de dezvoltare de 60 s, urmată de retragerea filmelor la 0,5 mm/s.  Două filme în fază de sticlă (Ai) nu au demonstrat aderență.  Hidratarea unuia (Aii) sau a ambelor (Aiii) dintre filme la un conținut de apă de 15% a dus la o aderență semnificativă.  Un volum egal de apă plasat pe filmele în fază de sticlă sub formă de picături (Aiv) a dus la o aderență comparabilă la două filme de gel.  (C) În analiza picăturilor, aderența a fost în mare măsură independentă de viteza sondei (adică viteza la care filmele au fost comprimate).  (D) Microscopia electronică cu scanare (SEM) a două filme după comprimarea picăturilor arată dovezi de încurcare a lanțului polimeric la interfața filmului (săgețile la interfața filmului).

Aderența indusă de apă a peliculelor de pectină întărite în paralel. (A) Schema filmelor de pectină în fază de sticlă (gri) și fază de gel (albastru). (-) indică nicio aderență, în timp ce (+) indică o interacțiune adezivă între filme. (B) Folosind un test de aderență definit anterior, filmele de pectină au fost comprimate ușor (5N) pentru un timp de dezvoltare de 60 s, urmată de retragerea filmelor la 0,5 mm/s. Două filme în fază de sticlă (Ai) nu au demonstrat aderență. Hidratarea unuia (Aii) sau a ambelor (Aiii) dintre filme la un conținut de apă de 15% a dus la o aderență semnificativă. Un volum egal de apă plasat pe filmele în fază de sticlă sub formă de picături (Aiv) a dus la o aderență comparabilă la două filme de gel. (C) În analiza picăturilor, aderența a fost în mare măsură independentă de viteza sondei (adică viteza la care filmele au fost comprimate). (D) Microscopia electronică cu scanare (SEM) a două filme după comprimarea picăturilor arată dovezi de încurcare a lanțului polimeric la interfața filmului (săgețile la interfața filmului). Credit imagine: Pierce, AF et al., Polymers

În mucoadeziune, apa este mutată din stratul de mucus către pectină, ceea ce îmbunătățește interacțiunile dintre suprafață. Acest lucru crește adezivitatea pectinei. Cercetările actuale au indicat că încurcarea lanțurilor ramificate ale polimerului pectinic este strâns implicată în faza de adeziv. Studiile au evidențiat că această încurcătură poate avea o relevanță clinică importantă.

Proprietățile fizico-chimice unice ale pectinei au fost, de asemenea, legate de procesele de regenerare din plante. Această polizaharidă contribuie la mai multe procese importante, cum ar fi degradarea compartimentată în timpul tilozei. În timpul altoirii timpurii a plantelor, pectina depusă pare să susțină, de asemenea, coeziunea și aderența între celulele adiacente. În esență, pectina este un „ciment” biologic care este implicat în mai multe funcții importante în organisme. Proprietățile intrinseci ale polimerului pot fi, de asemenea, importante pentru procesele de auto-reparare fără celule.

Schema reparației induse de apă a filmelor de pectină fracturate.  Filmul de pectină în fază de sticlă este fracturat utilizând o sarcină uniaxială controlată cu o sondă din oțel inoxidabil de 5 mm (2 mm/s).  Filmul fracturat este plasat pe un strat subțire de apă distilată (1,6 până la 1,8 mm) timp de 8 ore la 25 °C, urmată de analiza optică și mecanică a filmelor reparate.

Schema reparației induse de apă a filmelor de pectină fracturate. Filmul de pectină în fază de sticlă este fracturat utilizând o sarcină uniaxială controlată cu o sondă din oțel inoxidabil de 5 mm (2 mm/s). Filmul fracturat este plasat pe un strat subțire de apă distilată (1,6 până la 1,8 mm) timp de 8 ore la 25 °C, urmată de analiza optică și mecanică a filmelor reparate. Credit imagine: Pierce, AF et al., Polymers

Studiul

Autorii au investigat proprietățile polimerilor de pectină. Mai exact, ei au studiat modul în care apa poate repara fracturile în filmele de pectină în fază de sticlă. Filmele au fost evaluate pentru rezistență, rezistență la coeziune și proprietăți optice. În plus, autorii au comparat biopolimerii de pectină cu biopolimerii alternativi fabricați din celuloză oxidată, hialuronat de sodiu și fibre de nanoceluloză.

Pectina citrice a fost obținută dintr-o sursă comercială pentru studiu. Analiza polizaharidelor a arătat că acestea erau compuse în principal din reziduuri de acid galacturonic, cu ramnoză, galactoză și arabinoză. De asemenea, au avut 78-86% homogalacturonan și un conținut RGI de 16-26%. Pulberea de pectină utilizată în cercetare a fost depozitată în condiții controlate de mediu, cu umiditate scăzută și 25 deOtemperatura C. Pectina a fost dizolvată în apă și apoi turnată în forme modelate pentru întărire și studiu suplimentar.

Autorii au folosit mai multe tehnici pentru a caracteriza biopolimerii de pectină preparați. Mecanica fracturilor a fost studiată prin supunerea biopolimerilor la o sarcină uniaxială controlată. Cercetătorii au înregistrat forța de fractură, distanța și timpul.

Reziliența a fost măsurată folosind un TA-XT plus, cu o sondă folosită pentru a aplica forța și apoi a se retrage cu aceeași viteză, reziliența fiind definită ca raportul zonei comprimate în timpul compresiei și retragerii. Microscopia electronică cu scanare a fost folosită pentru a vizualiza filmele de pectină după ce le-a acoperit cu aur într-o atmosferă de argon. În plus, în cadrul studiului a fost efectuată o analiză statistică.

Filmele de biopolimer de pectină preparate au prezentat o autoreparare aproape completă indusă de apă. Filmele au fost incubate pe o perioadă de opt ore la temperatura camerei și sub umiditate ambientală. Procesul nu a implicat amestecare sau agitare. Rezistența mecanică a filmului reparat a fost testată în continuare prin fracturarea lui pentru a doua oară, ceea ce a demonstrat o scădere a rezistenței la spargere a filmului, dar filmul a fost încă semnificativ mai puternic în comparație cu ceilalți biopolimeri din cercetare.

Modele de fractură ale filmelor de pectină înainte și după repararea indusă de apă.  (A) Imaginile reprezentative ale modelelor de fracturi obținute înainte (albastru) și după repararea indusă de apă (portocaliu) au fost pragizate și suprapuse folosind funcția XOR logică MetaMorph Stack Arithmetic.  Orientarea originală a filmelor de pectină a fost menținută pentru comparație.  Orientarea similară a modelelor de fractură din (Aii) a fost excepția;  în majoritatea filmelor, modelele de fractură păreau a fi orientate aleatoriu (de exemplu, (Ai) și (Aiii)).  Morfometria modelelor de fractură nu a demonstrat nicio diferență semnificativă în unghiurile de fractură (B), p > 0,05 sau distanța inter-ramificație (C), p > 0,05.  Suprafața totală a modelului a fost puțin mai mică în perioada post-reparație, comparativ cu modelele de fractură pre-reparație (C), p < 0.05). In (B–D, the box spans the interquartile range with the median marked with an X and the whiskers defining the data range. A minimum of 103 features were measured for each parameter.

Modele de fractură ale filmelor de pectină înainte și după repararea indusă de apă. (A) Imaginile reprezentative ale modelelor de fracturi obținute înainte (albastru) și după repararea indusă de apă (portocaliu) au fost pragizate și suprapuse folosind funcția XOR logică MetaMorph Stack Arithmetic. Orientarea originală a filmelor de pectină a fost menținută pentru comparație. Orientarea similară a modelelor de fractură din (Aii) a fost excepția; în majoritatea filmelor, modelele de fractură păreau a fi orientate aleatoriu (de exemplu, (Ai) și (Aiii)). Morfometria modelelor de fractură nu a demonstrat nicio diferență semnificativă în unghiurile de fractură (B), p > 0,05 sau distanță între ramuri (C), p > 0,05. Suprafața totală a modelului a fost puțin mai mică în perioada post-reparație în comparație cu modelele de fractură pre-reparație (C), p < 0,05). În (BDcaseta se întinde pe intervalul intercuartil cu mediana marcată cu un X și mustățile definind intervalul de date. Minim 103 caracteristicile au fost măsurate pentru fiecare parametru. Credit imagine: Pierce, AF et al., Polymers

Capacitatea filmelor reparate de a rezista la deformarea elastică a fost, de asemenea, evaluată în studiu. Acest lucru a fost evaluat prin testarea rezistenței filmelor reparate. Filmele au fost deformate cu 1 mm folosind o sondă și au fost măsurate atât forța de deformare, cât și eliberarea energiei stocate. Rezultatele acestui test au demonstrat că nu a existat nicio pierdere semnificativă a rezistenței în filmele de pectină reparate cu apă, rezistența fiind semnificativ mai mare decât a celorlalți polimeri testați în studiu.

În concluzie, autorii au demonstrat că filmele de biopolimer de pectină posedă un grad notabil de reparare structurală și reținere a rezistenței la deformarea elastică. Acest proces este indus de un strat subțire de apă, ceea ce înseamnă că nu este nevoie de tehnici complexe și de solvenți chimici duri, potențial toxici și dăunători mediului. În mod crucial, procesul reparator demonstrat în studiu este lipsit de celule. Studiul are implicații importante pentru utilizarea comercială a biopolimerilor de pectină în industria biomedicală.

Lectură suplimentară

Pierce, AF şi colab. (2022) Proprietăți optice și mecanice ale biopolimerilor de pectină cu auto-reparare [online] Polimeri 14(7) 1345 | mdpi.com. Disponibil la: https://www.mdpi.com/2073-4360/14/7/1345

Disclaimer: Opiniile exprimate aici sunt cele ale autorului exprimate în calitatea sa privată și nu reprezintă neapărat punctele de vedere ale AZoM.com Limited T/A AZoNetwork, proprietarul și operatorul acestui site web. Această declinare a răspunderii face parte din Termenii și condițiile de utilizare a acestui site web.

Leave a Comment

Your email address will not be published.