Übersicht von Biomaterialien

Die Biologie wird jetzt genutzt, um technische Herausforderungen zu meistern, da biologisch gewonnene Materialien Schlüsseleigenschaften bieten, die künstliche Materialien nicht bieten können. Biobasierte Materialien, manchmal auch Biomaterialien genannt, werden aus lebenden oder ehemals lebenden Organismen hergestellt. Diese Materialien haben in letzter Zeit an Popularität gewonnen, da sie biokompatibel sind und als Matrizen fungieren können, die Biomoleküle und Zellen beherbergen können. In diesem Video werden verschiedene biobasierte Materialien vorgestellt und gängige Techniken und Herausforderungen in diesem Bereich vorgestellt.

Es gibt viele biologisch gewonnene Polymere oder Biopolymere, die in der biotechnologischen Forschung verwendet werden. Erstens ist Kollagen ein weit verbreitetes Proteinpolymer, das typischerweise aus Rinderhaut, Sehnen und Knochen und sogar Rattenschwänzen gewonnen wird. Kollagenfasern besitzen eine Dreifachhelix-Struktur, die dem Material Festigkeit und Steifigkeit verleiht. Aufgrund dieser Eigenschaft wird Kollagen häufig als struktureller Bestandteil von künstlich hergestellten Gewebekonstrukten verwendet, insbesondere in Knochen und Haut wie künstlichem Gewebe. Ein weiteres gängiges Proteinpolymer ist Seide, die aus dem Kokon der Seidenmottenlarven gewonnen wird. Die Sekundärstruktur dieses Proteins weist große kristalline Bereiche von Beta-Faltblättern auf, die eine hohe Festigkeit und Flexibilität ermöglichen. Wie Kollagen wird Seide häufig als struktureller Bestandteil von künstlichem Gewebe verwendet, typischerweise in flexiblem Gewebe wie Haut und Muskeln. Seide wird aber auch als dünne Schicht für optische Geräte sowie für Substrate für elektrische Geräte gegossen. Chitosan, ein weiteres Biopolymer, ist das Polysaccharid, das aus Krustentierschalen wie Krabben oder Hummern gewonnen wird. Die Löslichkeit des Polymers basiert auf dem pH-Wert. Dies ermöglicht die einfache Steuerung von Herstellungsprozessen, indem der pH-Wert erhöht wird, um das Material zu verfestigen. Chitosan wird häufig bei der Wundheilung eingesetzt, indem ein Film gebildet wird, der mit regenerierendem Gewebe biokompatibel ist.

Werfen wir nun einen Blick auf einige prominente Methoden, die zur Manipulation dieser Biomaterialien verwendet werden. Erstens werden Biomaterialien oft als Hydrogel gegossen, um eine hochgradig hydrophile Struktur mit erhöhter Biokompatibilität zu schaffen. Ein Hydrogel ist ein feststoffartiges Polymernetzwerk mit hohem Wassergehalt und wird häufig als Gewebekonstrukt in künstlichem Gewebe verwendet. Um ein Hydrogel mit Kollagen herzustellen, erhitzen Sie das Polymer zuerst in einer wässrigen Lösung, wie z. B. Wachstumsmedien, und gießen Sie dann die Lösung in eine Form. Die Lösung wird dann abgekühlt, bis sie fest ist. Die UV-Vernetzung kann auch genutzt werden, um die Stabilität des Gels zu verbessern, indem Rückstände auf den Polymerketten kovalent verknüpft werden. Alternativ können Hydrogelkügelchen gebildet werden, indem die Polymerlösung tropfenweise zu einer Vernetzungslösung hinzugefügt wird. Die Kügelchen werden dann verwendet, um Zellen in Proteinen zu stabilisieren. Biomaterialien können auch verwendet werden, um durch Elektrospinnen Fasermatten zu bilden. Diese Technik wird durchgeführt, indem ein elektrisches Feld zwischen einer Kollektoroberfläche und der Spitze einer Spritze mit Biopolymerlösung angelegt wird. Dies induziert die Bildung von mikroskaligen Fasern, die dann Strukturen bilden, die die extrazelluläre Matrix im Gewebe nachahmen. Alternativ können Biomaterial-Dünnschichten durch Elektroabscheidung hergestellt werden. Dazu wird ein Potential an eine Zwei-Elektroden-Zelle angelegt, die die Biomateriallösung enthält. Das Biomaterial wandert zu einer der Elektroden und bildet einen dünnen Film auf der Oberfläche. Diese dünnen Schichten können verwendet werden, um eine Oberfläche biokompatibel zu machen, z. B. um oberflächenmontierte Enzyme in Zellen zu stabilisieren. In diesem Fall stabilisiert ein Chitosan-Dünnfilm das Enzym Glukoseoxidase. Darüber hinaus werden Biomaterialien oft auf eine Oberfläche gegossen, um einen dünnen Film zu bilden. Die Lösung wird zuerst auf ein Substrat getropft und dann getrocknet, um das gesamte Lösungsmittel zu entfernen. Die Schichtdicke wird über das Volumen und die Konzentration der Lösung gesteuert.

Obwohl Biomaterialien in der Biotechnologie weit verbreitet sind, gibt es inhärente Herausforderungen, die mit ihrer Verwendung verbunden sind. Erstens besitzen Biomaterialien natürliche Eigenschaften, die von ihrer Quelle und molekularen Struktur abhängen. Während diese Materialien für eine Vielzahl von Anwendungen nutzbar gemacht werden können, kann es schwierig sein, ihre inhärenten Eigenschaften zu ändern. Darüber hinaus verändert die Verarbeitung des Materials deren Eigenschaften, manchmal nachteilig. Biomaterialien werden aus natürlichen Quellen gewonnen, die je nach Organismusart und Umweltfaktoren wie der Jahreszeit variieren können. Dies kann zu einer Variabilität von Charge zu Charge führen, die zu kleinen Unterschieden in der Endanwendung führt. Schließlich sind die meisten Biomaterialien wasserlöslich, was ihre Stabilität einschränkt. Da einige Anwendungen erfordern, dass das Material dauerhaft ist, können Vernetzungs- oder Stabilisierungstechniken erforderlich sein, um ihre Lebensdauer zu verlängern. Dies kann jedoch zu unerwünschten Veränderungen der mechanischen Eigenschaften führen.

Biologisch gewonnene Materialien werden in der bioingenieurtechnischen Forschung in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Erstens werden Biomaterialien häufig in Anwendungen zur Verabreichung von Medikamenten eingesetzt, da sie in der Regel biologisch abbaubar und biokompatibel sind. Hydrogele bieten beispielsweise eine biokompatible Matrix, die in der Lage ist, empfindliche Wirkstoffmoleküle zu halten. Sie werden in Abhängigkeit von den Eigenschaften des Materials mit einer vorhersehbaren Geschwindigkeit abgebaut und ermöglichen so die kontrollierte Freisetzung eines Medikaments. Biomaterialien werden in der Medizin in großem Umfang eingesetzt, insbesondere bei Seidennähten und bei Bandagen und Adhäsiven auf Chitosanbasis für die Wundheilung. In diesem Beispiel wurden chirurgische Chitosan-Klebefilme mit einem medizinischen Diagnosefarbstoff hergestellt. Später wurden sie über geschnittenes Gewebe fusioniert, um die Wunde als Alternative zu Nähten zu schließen. Ein sich entwickelnder Bereich der Biomaterialien behandelt Proteine und andere Biomoleküle, wie in diesem Fall DNA, als Polymermaterialien. Zu diesem Zweck werden DNA-Stränge mit einer spezifischen Sequenz versehen, die die präzise Faltung des DNA-Strangs in komplexe Strukturen und Muster induziert, die als DNA-Origami bezeichnet werden. Diese Strukturen können dann verwendet werden, um funktionale Anordnungen zu schaffen, die in der Lage sind, biologische Signale zu erkennen, ihre Form zu ändern oder eingebettete Biomoleküle freizusetzen.

Sie haben gerade den Überblick von JoVE über biologisch gewonnene Materialien gesehen. Sie sollten nun die Ursprünge und Eigenschaften mehrerer gängiger Biomaterialien, einige Techniken, die im Labor zu ihrer Verarbeitung verwendet werden, und einige Herausforderungen, die mit ihrer Verwendung verbunden sind, verstehen. Danke fürs Zuschauen.