1: نظرة عامة على المواد الحيوية

يتم الآن استخدام علم الأحياء لمواجهة التحديات الهندسية حيث توفر المواد المشتقة بيولوجيا خصائص رئيسية لا تستطيع المواد الاصطناعية القيام بها. يتم إنشاء المواد المشتقة من الحيوية ، والتي تسمى أحيانا المواد الحيوية ، من كائنات حية أو حية ذات يوم. اكتسبت هذه المواد شعبية مؤخرا لأنها متوافقة حيويا ويمكن أن تعمل كمصفوفات يمكنها إيواء الجزيئات الحيوية والخلايا. سيقدم هذا الفيديو العديد من المواد المشتقة من الحيوية ويقدم تقنيات وتحديات شائعة في هذا المجال.

هناك العديد من البوليمرات المشتقة بيولوجيا ، أو البوليمرات الحيوية ، المستخدمة في أبحاث الهندسة الحيوية. أولا ، الكولاجين هو بوليمر بروتيني يستخدم على نطاق واسع مشتق عادة من جلد الأبقار والأوتار والعظام وحتى ذيول الفئران. تمتلك ألياف الكولاجين بنية حلزونية ثلاثية تعطي قوة المواد وصلابتها. بسبب هذه الخاصية ، غالبا ما يستخدم الكولاجين كمكون هيكلي لتركيبات الأنسجة الهندسية خاصة في العظام والجلد مثل الأنسجة الاصطناعية. بوليمر البروتين الشائع الآخر هو الحرير المشتق من شرنقة يرقات عثة الحرير. يحتوي الهيكل الثانوي لهذا البروتين على مناطق بلورية شاسعة من صفائح بيتا مما يتيح قوة ومرونة عالية. كما هو الحال مع الكولاجين ، غالبا ما يستخدم الحرير كمكون هيكلي للأنسجة الاصطناعية ، عادة في الأنسجة المرنة مثل الجلد والعضلات. ومع ذلك ، يتم صب الحرير أيضا كغشاء رقيق للأجهزة البصرية وكذلك ركائز الأجهزة الكهربائية. الشيتوزان ، وهو بوليمر حيوي آخر ، هو عديد السكاريد المشتق من قشور القشريات مثل سرطان البحر أو الكركند. تعتمد قابلية ذوبان البوليمر على درجة الحموضة. يتيح ذلك التحكم البسيط في عمليات التصنيع عن طريق زيادة الأس الهيدروجيني لترسيخ المادة. غالبا ما يستخدم الشيتوزان في التئام الجروح عن طريق إنشاء فيلم متوافق حيويا مع تجديد الأنسجة.

الآن دعونا نلقي نظرة على بعض الطرق البارزة المستخدمة لمعالجة هذه المواد الحيوية. أولا ، غالبا ما يتم صب المواد الحيوية على شكل هيدروجيل لإنشاء بنية محبة للماء للغاية مع زيادة التوافق الحيوي. الهيدروجيل عبارة عن شبكة بوليمر شبيهة بالمواد الصلبة ذات محتوى مائي مرتفع وغالبا ما تستخدم كبنية للأنسجة في الأنسجة الاصطناعية. لصنع هيدروجيل بالكولاجين ، قم أولا بتسخين البوليمر في محلول مائي ، مثل وسائط النمو ، ثم صب المحلول في قالب. ثم يتم تبريد المحلول حتى يصبح صلبا. يمكن أيضا استخدام التشابك بالأشعة فوق البنفسجية لتحسين استقرار الجل عن طريق الربط التساهمي للبقايا على سلاسل البوليمر. بدلا من ذلك ، يمكن تشكيل حبات الهيدروجيل عن طريق إضافة محلول البوليمر بالتنقيط إلى محلول التشابك. ثم تستخدم الخرزات لتثبيت الخلايا في البروتينات. يمكن أيضا استخدام المواد الحيوية لتشكيل حصائر ليفية عن طريق الغزل الكهربائي. يتم تنفيذ هذه التقنية عن طريق تطبيق مجال كهربائي بين سطح المجمع وطرف حقنة تحتوي على محلول بوليمر حيوي. يؤدي هذا إلى تكوين ألياف دقيقة الحجم والتي تخلق بعد ذلك هياكل تحاكي المصفوفة خارج الخلية في الأنسجة. بدلا من ذلك ، يمكن تحضير الأغشية الرقيقة للمواد الحيوية عن طريق الترسيب الكهربائي. لهذا ، يتم تطبيق جهد على خلية كهربائية تحتوي على محلول المواد الحيوية. تهاجر المادة الحيوية إلى أحد الأقطاب الكهربائية التي تشكل طبقة رقيقة على السطح. يمكن استخدام هذه الأغشية الرقيقة لجعل السطح متوافقا حيويا ، على سبيل المثال ، لتثبيت الإنزيمات المجمعة على السطح في الخلايا. في هذه الحالة ، يعمل الغشاء الرقيق على تثبيت إنزيم الجلوكوز أوكسيديز. بالإضافة إلى ذلك ، غالبا ما تكون المواد الحيوية عبارة عن محلول مصبوب على سطح لتشكيل طبقة رقيقة. يتم إسقاط المحلول أولا على الركيزة ثم يجفف لإزالة كل المذيبات. يتم التحكم في سمك الفيلم باستخدام حجم وتركيز المحلول.

على الرغم من أن المواد الحيوية تستخدم على نطاق واسع في الهندسة الحيوية ، إلا أن هناك تحديات متأصلة مرتبطة باستخدامها. أولا ، تمتلك المواد الحيوية خصائص طبيعية يحكمها مصدرها وتركيبها الجزيئي. في حين أنه يمكن تسخير هذه المواد لمجموعة واسعة من التطبيقات ، فقد يكون تعديل خصائصها المتأصلة أمرا صعبا. بالإضافة إلى ذلك ، فإن معالجة المواد تغير خصائصها ، وأحيانا بطريقة سلبية. المواد الحيوية مشتقة من مصادر طبيعية يمكن أن تختلف بناء على أنواع الكائنات الحية والعوامل البيئية مثل الموسم. يمكن أن يؤدي ذلك إلى تباين من دفعة إلى أخرى يتسبب في اختلافات طفيفة في التطبيق النهائي. أخيرا ، معظم المواد الحيوية قابلة للذوبان في الماء مما يحد من استقرارها. نظرا لأن بعض التطبيقات تتطلب أن تكون المادة دائمة ، فقد تكون هناك حاجة إلى تقنيات التشابك أو التثبيت لإطالة عمرها. ومع ذلك ، يمكن أن يؤدي هذا إلى تغييرات غير مرغوب فيها في الخواص الميكانيكية.

تستخدم المواد المشتقة بيولوجيا في مجموعة واسعة من التطبيقات في أبحاث الهندسة الحيوية. أولا ، كثيرا ما تستخدم المواد الحيوية في تطبيقات توصيل الأدوية لأنها عادة ما تكون قابلة للتحلل البيولوجي ومتوافقة أحيايا. على سبيل المثال ، توفر الهلاميات المائية مصفوفة متوافقة حيويا قادرة على الاحتفاظ بجزيئات الدواء الحساسة. تتحلل بمعدل يمكن التنبؤ به اعتمادا على خصائص المادة مما يتيح إطلاق الدواء الخاضع للرقابة. تم استخدام المواد الحيوية على نطاق واسع في الطب ، وتحديدا مع الغرز الحريرية والضمادات والمواد اللاصقة القائمة على الشيتوزان لالتئام الجروح. في هذا المثال ، تم تحضير أغشية لاصقة جراحية للشيتوزان بصبغة تشخيصية طبية. تم دمجها لاحقا عبر الأنسجة المقطوعة لإغلاق الجرح كبديل للخيوط الجراحية. تعالج منطقة متطورة في مجال المواد الحيوية البروتينات والجزيئات الحيوية الأخرى ، مثل الحمض النووي في هذه الحالة ، كمواد بوليمرية. لهذا الغرض ، تم تصميم خيوط الحمض النووي بتسلسل محدد يحفز الطي الدقيق لخيط الحمض النووي في هياكل وأنماط معقدة تسمى أوريغامي الحمض النووي. يمكن بعد ذلك استخدام هذه الهياكل لإنشاء تجميعات وظيفية قادرة على استشعار الإشارات البيولوجية أو تغيير الشكل أو إطلاق الجزيئات الحيوية المضمنة.

لقد شاهدت للتو نظرة عامة على JoVE للمواد المشتقة بيولوجيا. يجب أن تفهم الآن أصول وخصائص العديد من المواد الحيوية الشائعة ، وبعض التقنيات المستخدمة في المختبر لمعالجتها ، وبعض التحديات المرتبطة باستخدامها. شكرا للمشاهدة.