Biomimetic wet tissue adhesives for fetal surgery

Abstract

Operative Eingriffe am Fetus können eine Vielzahl an angeborenen Anomalien verhindern. Sie sind jedoch mit hohen Risiken verbunden, da bei fetoskopischen Operationen ein kleiner Einschnitt in die Fruchtblase, die entgegen normalem Gewebe nicht heilen kann, gemacht wird. Das Risiko einer Ruptur ist dadurch bedeutend erhöht. Da solche Eingriffe präferiert in den ersten beiden Trimestern durchgeführt werden, kann eine Ruptur der Fruchtblase zu Frühgeburten mit geringen Überlebenschancen für den Fetus führen. Ein Gewebekleber könnte den Einschnitt in der Fruchtblase schließen und das Gewebe stützen. Dadurch könnte eine Frühgeburt verhindert und die Überlebenschancen des Fetus erheblich gesteigert werden. Obwohl einige klinische Gewebekleber kommerziell erhältlich sind, haben diese sich auch nach zwei Jahrzehnten Forschung als ineffizient in der Fetalchirurgie erwiesen.Im Rahmen dieses Projekts wird die Synthese und Charakterisierung eines von Muscheln inspirierten, optimierten nassen Gewebeklebers behandelt. Der Meeresorganismus Mytilus edulis verwendet Haftfäden und adhäsive Proteine um Haftung am Untergrund zu erzielen. Eines dieser Proteine, mfp-5, ist aufgrund von Synergieeffekten zwischen großen Mengen von Dopamin und Lysin besonders adhäsiv. Inspiriert von mfp-5 wurde ein Polymer auf Methyl methacrylat-Basis hergestellt, welches Catechol als Dopamin-Imitat und ein primäres Amin als Lysin-Imitat enthält.Um Kohäsion im Material zu erzielen wurde dieses Sequenz-Makromonomer anschließend in ein amphiphiles Polymer mit supramolekularen Quervernetzungen (Ureido-4-pyrimidone Wasserstoff- brückenbindungen) eingebettet. Durch reversible Verbindungen bilden die supramolekularen Motive ein kohäsives, zähes und flexibles Netzwerk. Im Unterschied dazu erzielen die meisten Gewebekle- ber Kohäsion durch kovalente Querverbindungen der adhäsiven Motive (wie bspw. Basen-katalysierte Dopamin-Vernetzungen), was ihre Adjustierbarkeit stark einschränkt.Durch die Implementierung zweier eigener Motive wurde im Rahmen dieser Diplomarbeit ein Poly- mer mit individuell adjustierbaren adhäsiven und kohäsiven Eigenschaften entwickelt. Die Wasser- empfindlichen supramolekularen Vernetzungen werden hierbei bei Kontakt mit Wasser durch die Phasenseparierung der amphiphilen Matrix geschützt. In Haftkraft Messungen wurden Adhäsionskräfte von mehr als 70 kPa zu bovinem Herzbeutel-Gewebe gemessen. Im Vergleich mit kommerziell erhältlichen Gewebeklebern wie Cyanoacrylat-basierten Klebstoffen (35 kPa) wurde damit die Effizienz der biomimetischen Motive bestätigt.Insgesamt wurde ein starker Muschel-inspirierter Gewebekleber für die Problemstellung der Haftung unter physiologischen Bedingungen entwickelt. Das Material birgt Potential, auch in anderen Bereichen als chirurgischer Klebstoff verwendet zu werden.

Surgery on unborn children offers the potential to prevent various congenital anomalies, but is a high- risk intervention. During fetoscopic surgery a small inscission is made in the fragile amniotic sac, which, unlike other human tissue, cannot heal. As the preferred time for this procedure is within the second trimester, the risk of rupture may result in preterm birth with a low survival rate of the fetus. A sealant to close and support the punctured amniotic tissue could prevent preterm labor and substantially increase chances of survival. While a number of medical adhesives are commercially available, after two decades of research they have proven ineffective in fetal surgery.This diploma thesis deals with the synthesis and characterization of an improved wet tissue adhe- sive inspired by marine mussels. The Mytilus edulis strongly adheres to rocks via byssal threads and several sticky interfacial mussel-foot-proteins (mfps). Of those, mfp-5 has been identified as particularly adhesive due to a synergistic relation between high concentrations of dopamine and lysine. In an approach mimicking mfp-5, a methyl methacrylate polymer containing catechol (as a dopamine mimic) and primary amine (as a lysine mimic) motifs has been co-polymerized.Cohesive strength was then achieved by embedding this sequence macromonomer into an amphiphilic polymer with supramolecular crosslinks (ureido-4-pyrimidone hydrogen bonding dimers). The supramolecular motifs form a cohesive network by reversible crosslinking, resulting in high toughness and flexibility. This approach stands in stark contrast to the majority of tissue adhesive develop- ments, which primarily rely on covalent crosslinking of the adhesive motif to achieve cohesive strength. Using only one motif for adhesive and cohesive strength, such as base catalyzed dopamine crosslinking, restricts the tunability of the polymer. Through the use of two separate motifs, individually tunable adhesive and cohesive properties were achieved within this project. Furthermore, upon contact with water the amphiphilic matrix provides protection of the water sensitive supramolecular crosslinks by phase separation. Tissue shear adhesion tests showed high adhesion strengths of more than 70 kPa to bovine pericardium compared to about 35 kPa for commercially available sealants such as Cyanoacrylate-based glues, confirming the efficacy of the biomimetic motifs used.Overall, a mussel-mimetic wet tissue adhesive was developed, that addressed the challenge of strong tissue bond formation under wet, physiological conditions. The material therefore has potential to be used as a general surgical adhesive.