1. Czym jest klej z małży

Klej z małży to materiał, który jest inspirowany naturalnym procesem, w jaki małże łączą swoje muszle z podłożem w wodzie. Małże produkują naturalne białkowe spoiwo o nazwie mussel adhesive protein (MAP), które pozwala im przyczepić się do kamieni, skał i innych powierzchni w środowisku wodnym. Naukowcy postanowili wykorzystać tę naturalną zdolność małży do tworzenia sztucznych klejów, które mogłyby być stosowane w różnych dziedzinach, takich jak medycyna, budownictwo, a także przemysł spożywczy.

2. Jak to działa

Klej z małży to materiał, który jest inspirowany naturalnym procesem, w jaki małże łączą swoje muszle z podłożem w wodzie. Małże produkują naturalne białkowe spoiwo o nazwie mussel adhesive protein (MAP), które pozwala im przyczepić się do kamieni, skał i innych powierzchni w środowisku wodnym. Naukowcy postanowili wykorzystać tę naturalną zdolność małży do tworzenia sztucznych klejów, które mogłyby być stosowane w różnych dziedzinach, takich jak medycyna, budownictwo, a także przemysł spożywczy.

3. Zastosowanie kleju z małży

  • Medycyna: 1. Medycyna: W chirurgii, kleje inspirowane małżami mogą być używane do sklejania ran, zwłaszcza w warunkach wilgotnych lub pod wodą, co może być przydatne np. w operacjach przeprowadzanych w trudnych warunkach, jak operacje w wodzie.
  • Przemysł spożywczy: 2. Przemysł spożywczy: Klej może być używany do pakowania żywności lub w procesach produkcyjnych, gdzie konieczne jest łączenie materiałów w środowisku wodnym.
  • Inżynieria materiałowa: 3. Inżynieria materiałowa: Zastosowanie kleju z małży może także obejmować przemysł budowlany, zwłaszcza w łączeniu materiałów pod wodą lub w ekstremalnych warunkach wilgotności.

4. Inspiracje do stworzenia kleju z małży

Inspiracją do stworzenia kleju z małży była ich naturalna zdolność do przyczepiania się do różnych powierzchni w środowisku wodnym. Małże wytwarzają naturalny białkowy spoiwo, które umożliwia im przyczepienie się do skał, kamieni czy innych podwodnych powierzchni, niezależnie od warunków, w jakich żyją, takich jak zmienne temperatury, pływy czy obecność wody. Naukowcy zaczęli badać ten unikalny mechanizm i zastanawiać się, jak można wykorzystać podobne biomimetyczne właściwości w tworzeniu nowoczesnych materiałów klejących. Po odkryciu, że białka małży (szczególnie białko zawierające dopa) mają zdolność do tworzenia bardzo silnych i trwałych wiązań chemicznych z różnymi materiałami, zaczęto opracowywać syntetyczne odpowiedniki tego naturalnego spoiwa. Inspiracja była również związana z potrzebą stworzenia biodegradowalnych, odpornych na wilgoć i ekologicznych klejów, które mogłyby zastąpić tradycyjne, szkodliwe dla środowiska substancje. Małże dostarczyły więc nie tylko pomysłu na mechanizm przyczepności, ale także stanowiły przykład na to, jak natura może inspirować innowacyjne rozwiązania technologiczne, które są zarówno skuteczne, jak i przyjazne dla środowiska. W skrócie, przyczepność małży do podwodnych powierzchni stała się punktem wyjścia dla opracowania kleju, który mógłby być wykorzystywany w szerokim zakresie, zwłaszcza tam, gdzie tradycyjne kleje zawodzą, jak w środowiskach wodnych czy w medycynie.

5. Proces powstania kleju z małży

  1. Pozyskiwanie białka z małży – Małże wytwarzają naturalne białkowe spoiwo, zwane mussel adhesive proteins (MAP), które zawiera aminokwas dopa (kwas 3,4-dihydroksyfenyloalaninowy). Dopa jest kluczowy dla procesu przyczepności, ponieważ pozwala białkom łączyć się z powierzchniami, tworząc silne wiązania chemiczne. Aby stworzyć klej inspirowany małżami, naukowcy izolują białka z organizmów małżowych, takich jak Mytilus edulis (małż zwyczajny). To białko jest następnie oczyszczane i modyfikowane w laboratoriach, by uzyskać odpowiednią formułę do dalszego użycia w produkcji kleju.
  2. Syntetyzowanie białka – Zamiast pozyskiwać białka bezpośrednio z małży, współczesne metody umożliwiają ich synthesizowanie w laboratoriach. Za pomocą inżynierii genetycznej tworzy się mikroorganizmy, takie jak bakterie, które są zmodyfikowane, by produkować białko małży. To podejście umożliwia uzyskanie większych ilości białka w sposób bardziej ekonomiczny i zrównoważony.
  3. Modyfikacja białka i formułowanie kleju – W procesie tworzenia kleju, białka małży są modyfikowane chemicznie tak, aby uzyskać pożądane właściwości, takie jak: • Zdolność do tworzenia silnych wiązań z różnymi materiałami (np. metalem, szkłem, ceramiką). • Odporność na wodę i trwałość w ekstremalnych warunkach. • Biodegradowalność i brak toksyczności, co sprawia, że klej jest bardziej ekologicznym rozwiązaniem niż tradycyjne syntetyczne kleje.
  4. Formułowanie kleju i aplikacja – Kiedy białka małży są gotowe, są formułowane w postać pasty lub ciekłego kleju. Ten klej może być używany do różnych celów, w tym: • Przyklejania elementów w środowisku wodnym lub wilgotnym. • Tworzenia biodegradowalnych opakowań spożywczych. • Aplikacji medycznych, takich jak klei do ran. Kleje z małży mają wysoką przyczepność i mogą działać w trudnych warunkach, takich jak pod wodą, co czyni je idealnymi do zastosowań w inżynierii materiałowej i medycynie.
  5. Testowanie i optymalizacja – Po stworzeniu formuły kleju, naukowcy testują jego siłę przyczepności, wytrzymałość oraz odporność na czynniki zewnętrzne (np. wilgoć, temperatury, pH). Na tym etapie przeprowadza się także dalszą optymalizację właściwości, by klej był bardziej efektywny i mógł być stosowany w różnych aplikacjach.

6. Wady i zalety kleju z małży

Zalety:

  • Silna przyczepność nawet pod wodą
  • Biodegradowalność i nietoksyczność
  • Zastosowanie w medycynie
  • Inspiracja biologiczna (biomimetyka)
  • Uniwersalność

Wady:

  • Wysokie koszty produkcji
  • Trudna produkcja na dużą skalę
  • Krótsza trwałość w niektórych warunkach
  • Potencjalne reakcje alergiczne (w medycynie)
  • Stabilność chemiczna

7. Osoby, które wymyśliły klej z małży

  1. Jonathan Wilker – Profesor chemii i inżynierii materiałowej na Uniwersytecie Purdue w Stanach Zjednoczonych. Jego badania koncentrują się na opracowywaniu zrównoważonych klejów inspirowanych organizmami morskimi, takimi jak małże, ostrygi czy barnacle. Wilker i jego zespół odkryli, że małże wykorzystują żelazo do utwardzania swojego białkowego kleju, co stanowi unikalne zastosowanie tego pierwiastka w biologii. W 2017 roku jego zespół stworzył syntetyczny klej, który działa pod wodą i jest silniejszy niż wiele komercyjnych klejów, przyczyniając się do rozwoju nowych materiałów klejących do zastosowań medycznych i przemysłowych .
  2. Phillip Messersmith – Profesor inżynierii biomedycznej na Uniwersytecie Northwestern w Stanach Zjednoczonych. Messersmith opracował syntetyczne kleje modelowane na białkach przyczepnych małży, które skutecznie zamykają rany chirurgiczne w mniej niż minutę. Jego innowacja, znana jako "Geckel", łączy zdolności przyczepne małży z właściwościami gecko, tworząc klej, który działa zarówno w środowisku wilgotnym, jak i suchym. To osiągnięcie ma potencjał w zastosowaniach medycznych, takich jak szybkie zamykanie ran czy stosowanie w opatrunkach i plastrach dostarczających leki .
  3. Kaichang Li – Profesor chemii drzewnej i inżynierii materiałowej na Uniwersytecie Stanowym Oregonu. Li zainspirował się obserwacją małży przyczepiających się do skał podczas zbiorów na wybrzeżu Oregonu. Zauważył, że białka przyczepne małży mogą służyć jako model do tworzenia ekologicznych klejów do drewna. Jego badania doprowadziły do opracowania nowego kleju do drewna, który jest bardziej przyjazny dla środowiska niż tradycyjne kleje na bazie formaldehydu . Dzięki pracy tych naukowców kleje inspirowane małżami stają się obiecującą alternatywą dla tradycyjnych klejów, oferując zastosowania w medycynie, budownictwie i innych dziedzinach, gdzie tradycyjne kleje zawodzą.