生物材料概述
生物材料是一类经过设计以与生物体或生物分子发生有利相互作用的材料。这些材料可来源于生物体或由生物体产生，也可能是合成的聚合物。工程师将这些新型材料广泛应用于组织工程、生物传感和药物递送等领域。
本视频介绍了常见的生物来源材料，并提供了用于处理这些材料的常用技术示例。同时讨论了该领域的主要挑战，以及这…
如今，生物学正被用于应对工程学领域的挑战，因为生物来源的材料具备许多人工合成材料所无法实现的关键特性。生物来源的材料，有时也称为生物材料，来源于活的或曾经存活的生物体。近年来，这类材料因其良好的生物相容性，以及能够作为容纳生物分子和细胞的基质而受到广泛关注。本视频将介绍几种常见的生物来源材料，并概述该领域中常用的技术与面临的挑战。
在生物工程研究中，有许多来源于生物的聚合物，即生物聚合物。首先，胶原蛋白是一种广泛使用的蛋白质聚合物，通常来源于牛的皮肤、肌腱和骨骼，甚至大鼠尾巴。胶原蛋白纤维具有三重螺旋结构，赋予材料强度和刚性。由于这一特性，胶原蛋白常被用作工程化组织构建物的结构组分，尤其是在骨组织和类似皮肤的人工组织中。另一种常见的蛋白质聚合物是丝素蛋白，来源于蚕茧。该蛋白质的二级结构含有大量β片层结晶区域，使其具有高强度和柔韧性。与胶原蛋白类似，丝素蛋白也常用于人工组织的结构组分，通常应用于皮肤和肌肉等柔性组织。此外，丝素蛋白还可浇铸成薄膜，用于光学器件以及电子器件的基底材料。另一种生物聚合物壳聚糖，则来源于甲壳类动物（如螃蟹或龙虾）的外壳。该聚合物的溶解性依赖于pH值，因此可通过调节pH值来简便地控制材料的固化过程。壳聚糖常用于创面修复，通过形成与再生组织相容的薄膜发挥作用。
现在让我们来看一些用于操控这些生物材料的重要方法。首先，生物材料通常被制成水凝胶，以形成具有高度亲水性且生物相容性更高的结构。水凝胶是一种类似固体的聚合物网络，含水量高，常用于人工组织中的组织构建体。要制备胶原蛋白水凝胶，首先将聚合物在水溶液（如培养基）中加热，然后将该溶液浇注到模具中。随后冷却溶液直至固化。此外，可采用紫外光交联以提高凝胶的稳定性，其原理是通过共价键连接聚合物链上的残基。或者，可通过将聚合物溶液逐滴加入交联溶液中形成水凝胶微球。这些微球可用于在蛋白质中稳定细胞。生物材料还可通过静电纺丝技术形成纤维膜。该技术通过在装有生物聚合物溶液的注射器针尖与收集表面之间施加电场来实现，从而诱导形成微米级纤维，进而构建出模拟组织中细胞外基质的结构。此外，生物材料的薄膜也可通过电沉积法制备。该方法需在含有生物材料溶液的双电极体系中施加一定电势，使生物材料迁移至其中一个电极并在其表面形成一层薄膜。这类薄膜可用于使表面具备生物相容性，例如用于稳定细胞中表面组装的酶。在此例中，壳聚糖薄膜可稳定葡萄糖氧化酶。此外，生物材料也常通过溶液浇铸法在表面形成薄膜。先将溶液滴加至基底表面，随后干燥以完全去除溶剂。薄膜厚度可通过溶液的体积和浓度进行调控。
尽管生物材料在生物工程中得到广泛应用，但其使用仍存在固有的挑战。首先，生物材料的天然特性由其来源和分子结构决定。虽然这些材料可用于多种应用，但改变其固有特性可能较为困难。此外，材料的加工过程会改变其性能，有时甚至产生不利影响。生物材料来源于自然界，其性质可能因生物种类以及季节等环境因素而变化，这可能导致批次间的差异，从而对最终应用产生细微影响。最后，大多数生物材料可溶于水，因而限制了其稳定性。由于某些应用要求材料具有永久性，可能需要采用交联或稳定化技术以延长其使用寿命。然而，这可能导致力学性能发生不良改变。
生物来源的材料在生物工程研究的多种应用中被广泛使用。首先，生物材料常用于药物递送领域，因为它们通常具有生物可降解性和生物相容性。例如，水凝胶提供了一种生物相容性的基质，能够承载敏感的药物分子，并根据材料的特性以可预测的速率降解，从而实现药物的可控释放。生物材料在医学中已得到广泛应用，例如丝线缝合线，以及基于壳聚糖的伤口敷料和粘合剂。在此示例中，壳聚糖外科粘合膜与一种医用诊断染料共同制备，随后被融合于切割的组织上，以封闭伤口，作为缝合线的替代方案。生物材料领域的一个新兴方向是将蛋白质和其他生物分子（如本例中的DNA）视为聚合物材料。在该方法中，DNA链被设计为具有特定序列，从而诱导DNA链精确折叠成复杂的结构和图案，称为DNA折纸（DNA origami）。这些结构随后可用于构建功能性组装体，能够感知生物信号、改变形状或释放嵌入的生物分子。
您刚刚观看了 JoVE 关于生物来源材料的概述视频。您现在应该了解几种常见生物材料的来源和特性、实验室中用于处理这些材料的一些技术，以及使用这些材料时面临的一些挑战。感谢观看。
如今，生物学正被用于应对工程学领域的挑战，因为生物来源的材料具有一些人造材料无法比拟的关键特性。生物来源的材料，有时也称为生物材料，来源于活体或曾经存活的生物体。近年来，这类材料因其具有生物相容性，并可作为容纳生物分子和细胞的基质而受到广泛关注。本视频将介绍几种常见的生物来源材料，并概述该领域中常用的技术与面临的挑战。
在生物工程研究中，有许多来源于生物的聚合物，即生物聚合物。首先，胶原蛋白是一种广泛使用的蛋白质聚合物，通常来源于牛的皮肤、肌腱和骨骼，甚至大鼠尾巴。胶原纤维具有三重螺旋结构，赋予材料强度和刚性。由于这一特性，胶原蛋白常被用作工程化组织构建体的结构组分，尤其是在骨组织和类似皮肤的人工组织中。另一种常见的蛋白质聚合物是丝素蛋白，来源于蚕茧。该蛋白质的二级结构含有大量β-折叠晶区，从而具有高强度和柔韧性。与胶原蛋白类似，丝素蛋白也常作为人工组织的结构组分，通常用于皮肤和肌肉等柔性组织。然而，丝素蛋白也可被浇铸成薄膜，用于光学器件以及电子器件的基底材料。另一种生物聚合物壳聚糖，则来源于甲壳类动物（如螃蟹或龙虾）的外壳。该聚合物的溶解性依赖于pH值，因此可通过提高pH值使材料固化，从而实现对制备过程的简便调控。壳聚糖常用于创面修复，通过形成与再生组织具有良好生物相容性的薄膜发挥作用。
现在让我们来看一些用于处理这些生物材料的主要方法。首先，生物材料通常被制成水凝胶，以形成具有高度亲水性且生物相容性更高的结构。水凝胶是一种类似固体的聚合物网络，含水量高，常用于人工组织中的组织构建体。要使用胶原蛋白制备水凝胶，首先将聚合物在水溶液（如培养基）中加热，然后将溶液倒入模具中。随后冷却溶液直至固化。也可采用紫外光交联来增强凝胶的稳定性，通过共价键连接聚合物链上的残基。或者，可通过将聚合物溶液逐滴加入交联溶液中形成水凝胶微球。这些微球可用于在蛋白质中稳定细胞。生物材料还可通过静电纺丝技术制成纤维膜。该技术通过在装有生物聚合物溶液的注射器针头与收集表面之间施加电场来实现。这会诱导形成微米级纤维，进而构建出模拟组织中细胞外基质的结构。此外，生物材料薄层膜也可通过电沉积方法制备。在此过程中，对含有生物材料溶液的双电极池施加电势，使生物材料迁移至其中一个电极并在其表面形成薄层膜。这些薄层膜可用于提高表面的生物相容性，例如用于稳定细胞中表面组装的酶。在此实例中，壳聚糖薄层膜可稳定葡萄糖氧化酶。此外，生物材料也常通过溶液浇铸法在表面形成薄层膜。首先将溶液滴涂于基底表面，然后干燥以完全去除溶剂。薄膜的厚度可通过溶液的体积和浓度进行调控。
尽管生物材料在生物工程领域得到广泛应用，但其使用仍存在固有的挑战。首先，生物材料的天然特性由其来源和分子结构决定。虽然这些材料可用于多种应用，但改变其固有特性可能较为困难。此外，材料的加工过程会改变其性能，有时甚至产生不利影响。生物材料来源于自然界，其性质可能因生物种类以及季节等环境因素而存在差异，这可能导致批次间的变异性，从而对最终应用产生细微影响。最后，大多数生物材料具有水溶性，因而限制了其稳定性。由于某些应用要求材料具有长期稳定性，可能需要采用交联或稳定化技术以延长其使用寿命。然而，这可能导致材料力学性能发生不良改变。
生物来源的材料广泛应用于生物工程研究的多个领域。首先，生物材料常用于药物递送系统，因为它们通常具有可生物降解性和生物相容性。例如，水凝胶可提供一种生物相容性良好的基质，能够负载敏感的药物分子，并根据材料的特性以可预测的速率降解，从而实现药物的可控释放。生物材料在医学领域已得到广泛应用，如丝线缝合线，以及基于壳聚糖的伤口敷料和粘合剂。在此示例中，制备了含有医用诊断染料的壳聚糖外科粘合薄膜，随后将其融合于切割的组织上，以替代传统缝合线闭合伤口。生物材料领域的新兴方向是将蛋白质及其他生物分子（例如本例中的DNA）视为聚合物材料。为此，设计具有特定序列的DNA链，使其精确折叠成复杂的结构和图案，称为DNA折纸（DNA origami）。这些结构可用于构建功能性组装体，能够感知生物信号、改变形状或释放嵌入的生物分子。
您刚刚观看了 JoVE 关于生物来源材料的概述视频。现在，您应该了解几种常见生物材料的来源和特性、实验室中用于处理这些材料的一些技术，以及使用这些材料时可能遇到的一些挑战。感谢观看。
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What are the main types of biopolymers used in bioengineering?
Common biopolymers include collagen, a protein polymer from bovine skin and bone with a triple helix structure providing strength; silk, derived from silk moth cocoons with crystalline beta sheets enabling high strength and flexibility; and chitosan, a polysaccharide from crustacean shells with pH-based solubility. Each offers distinct properties for different applications.
Q2: How does electrospinning create biomaterial structures?
Electrospinning applies an electric field between a collector surface and a syringe tip containing biopolymer solution. This induces formation of microscale fibers that create structures mimicking the extracellular matrix in tissue. The resulting fibrous mats are useful for tissue engineering and regenerative medicine applications.
Q3: What is a hydrogel and why is it useful in bioengineering?
A hydrogel is a solid-like polymer network with high water content and increased biocompatibility. Hydrogels are created by heating biopolymers in aqueous solutions, casting in molds, and cooling until solid. They serve as tissue constructs in artificial tissue and can hold sensitive drug molecules for controlled release applications.
Q4: What are the main challenges associated with using biomaterials?
Biomaterials face several challenges: their natural properties are difficult to modify, processing can alter properties adversely, batch-to-batch variability occurs due to differences in organism species and environmental factors, and most are water-soluble limiting stability. Crosslinking can extend lifetime but may cause undesirable mechanical property changes.
Q5: How are biomaterials applied in drug delivery?
Biomaterials are frequently used in drug delivery because they are biodegradable and biocompatible. Hydrogels offer a biocompatible matrix to hold sensitive drug molecules and degrade at predictable rates depending on material properties, enabling controlled release of drugs over time for therapeutic benefit.
Q6: What is DNA origami and how does it relate to biomaterials?
DNA origami involves designing DNA strands with specific sequences that induce precise folding into complex structures and patterns. These structures are treated as polymer materials and can create functional assemblies able to sense biological cues, change shape, or release embedded biomolecules for advanced bioengineering applications.
Q7: How does chitosan film improve wound healing?
Chitosan is a polysaccharide from crustacean shells with pH-based solubility enabling simple control of fabrication. Chitosan films are biocompatible with regenerating tissue and are used in wound healing applications. Chitosan surgical adhesive films can be fused across cut tissue to close wounds as an alternative to sutures.