1: סקירה כללית של ביו-חומרים

ביולוגיה משמשת כיום כדי לעמוד באתגרים הנדסיים מכיוון שחומרים שמקורם ביולוגי מציעים תכונות מפתח שחומרים מעשה ידי אדם אינם יכולים. חומרים שמקורם בביולוגיקה, שנקראים לפעמים ביו-חומרים, נוצרים מאורגניזמים חיים או שהיו פעם חיים. חומרים אלה צברו פופולריות לאחרונה מכיוון שהם תואמים ביולוגית ויכולים לשמש כמטריצות שיכולות להכיל ביומולקולות ותאים. סרטון זה יציג מספר חומרים שמקורם ביולוגי ויציג טכניקות ואתגרים נפוצים בתחום.

ישנם פולימרים רבים שמקורם ביולוגית, או ביופולימרים, המשמשים במחקר ביו-הנדסה. ראשית, קולגן הוא פולימר חלבון בשימוש נרחב המופק בדרך כלל מעור בקר, גידים ועצמות ואפילו זנבות חולדות. סיבי קולגן הם בעלי מבנה סליל משולש המעניק לחומר חוזק ונוקשות. בגלל הסגולה הזו, קולגן משמש לעתים קרובות כמרכיב מבני של רקמות מהונדסות, במיוחד בעצמות ובעור, כמו רקמות מלאכותיות. פולימר חלבון נפוץ נוסף הוא משי שמקורו בפקעת של זחלי עש המשי. המבנה המשני של חלבון זה כולל אזורים גבישיים עצומים של יריעות בטא המאפשרים חוזק וגמישות גבוהים. בדומה לקולגן, לעתים קרובות משתמשים במשי כמרכיב המבני של רקמות מלאכותיות, בדרך כלל ברקמות גמישות כמו עור ושרירים. עם זאת, משי יצוק גם כסרט דק למכשירים אופטיים כמו גם למצעי מכשירים חשמליים. צ'יטוזן, ביופולימר נוסף, הוא הפוליסכריד שמקורו בקונכיות סרטנים כמו סרטנים או לובסטרים. המסיסות של הפולימר מבוססת pH. זה מאפשר שליטה פשוטה בתהליכי הייצור על ידי הגדלת ה-pH למיצוק החומר. צ'יטוזן משמש לעתים קרובות בריפוי פצעים על ידי יצירת סרט התואם ביולוגית לרקמה מתחדשת.

כעת בואו נסתכל על כמה שיטות בולטות המשמשות למניפולציה של הביו-חומרים האלה. ראשית, ביו-חומרים נוצקים לעתים קרובות כהידרוג'ל כדי ליצור מבנה הידרופילי מאוד עם תאימות ביולוגית מוגברת. הידרוג'ל הוא רשת פולימרית דמוית מוצק עם תכולת מים גבוהה ומשמש לעתים קרובות כמבנה רקמה ברקמה מלאכותית. כדי להכין הידרוג'ל עם קולגן, תחילה מחממים את הפולימר בתמיסה מימית, כמו מצע גידול, ואז יוצקים את התמיסה בתבנית. לאחר מכן התמיסה מקוררת עד שהיא מוצקה. ניתן להשתמש בקישור צולב UV גם כדי לשפר את יציבות הג'ל על ידי קישור קוולנטי של שאריות על שרשראות הפולימר. לחלופין, ניתן ליצור חרוזי הידרוג'ל על ידי הוספת תמיסת הפולימר טיפתית לתמיסת קישור צולב. לאחר מכן משתמשים בחרוזים לייצוב תאים בחלבונים. ניתן להשתמש בביו-חומרים גם ליצירת מחצלות סיביות באמצעות אלקטרו-ספינינג. טכניקה זו מבוצעת על ידי הפעלת שדה חשמלי בין משטח אספן לקצה מזרק המכיל תמיסת ביופולימר. זה גורם להיווצרות סיבים בקנה מידה מיקרו אשר לאחר מכן יוצרים מבנים המחקים את המטריצה החוץ-תאית ברקמה. לחלופין, ניתן להכין סרטים דקים של ביו-חומר באמצעות אלקטרודפוזיציה. לשם כך, פוטנציאל מוחל על תא שתי אלקטרודות המכיל את תמיסת הביו-חומר. החומר הביולוגי נודד לאחת האלקטרודות ויוצר סרט דק על פני השטח. ניתן להשתמש בסרטים דקים אלה כדי להפוך משטח לתואם ביולוגית, למשל, לייצוב אנזימים המורכבים על פני השטח בתאים. במקרה זה, סרט דק של צ'יטוזן מייצב את האנזים גלוקוז אוקסידאז. בנוסף, ביו-חומרים הם לעתים קרובות תמיסה יצוקה על משטח ליצירת סרט דק. התמיסה נופלת תחילה על מצע ואז מיובשת כדי להסיר את כל הממס. עובי הסרט נשלט באמצעות נפח וריכוז התמיסה.

למרות שביו-חומרים נמצאים בשימוש נרחב בביו-הנדסה, ישנם אתגרים מובנים הקשורים לשימוש בהם. ראשית, לביו-חומרים יש תכונות טבעיות שנשלטות על ידי המקור והמבנה המולקולרי שלהם. בעוד שניתן לרתום חומרים אלה למגוון רחב של יישומים, שינוי התכונות הטבועות בהם יכול להיות קשה. בנוסף, עיבוד החומר משנה את תכונותיהם, לפעמים בצורה שלילית. ביו-חומרים נגזרים ממקורות טבעיים שיכולים להשתנות בהתאם למין האורגניזם ולגורמים סביבתיים כמו עונה. זה יכול לגרום לשונות מאצווה לאצווה שגורמת להבדלים קטנים ביישום הסופי. לבסוף, רוב הביו-חומרים מסיסים במים ובכך מגבילים את יציבותם. מכיוון שיישומים מסוימים דורשים שהחומר יהיה קבוע, ייתכן שיידרשו טכניקות הצלבה או ייצוב כדי להאריך את חייהם. עם זאת, זה יכול לגרום לשינויים לא רצויים בתכונות המכניות.

חומרים שמקורם ביולוגי משמשים במגוון רחב של יישומים במחקר ביו-הנדסה. ראשית, ביו-חומרים משמשים לעתים קרובות ביישומי אספקת תרופות מכיוון שהם בדרך כלל מתכלים ותואמים ביולוגית. לדוגמה, הידרוג'לים מציעים מטריצה תואמת ביולוגית המסוגלת להחזיק מולקולות תרופות רגישות. הם מתכלים בקצב צפוי בהתאם לתכונות החומר ובכך מאפשרים שחרור מבוקר של תרופה. נעשה שימוש נרחב בביו-חומרים ברפואה, במיוחד עם תפרי משי ועם תחבושות ודבקים על בסיס צ'יטוזן לריפוי פצעים. בדוגמה זו, סרטי דבק כירורגיים של צ'יטוזן הוכנו עם צבע אבחון רפואי. מאוחר יותר הם אוחדו על פני רקמה חתוכה כדי לסגור את הפצע כחלופה לתפרים. תחום מתפתח בתחום הביו-חומרים מתייחס לחלבונים ולביו-מולקולות אחרות, כמו למשל דנ"א במקרה זה, כחומרים פולימריים. לשם כך, גדילי DNA מתוכננים עם רצף ספציפי הגורם לקיפול מדויק של גדיל ה-DNA למבנים ודפוסים מורכבים הנקראים אוריגמי DNA. לאחר מכן ניתן להשתמש במבנים אלה ליצירת מכלולים פונקציונליים המסוגלים לחוש רמזים ביולוגיים, לשנות צורה או לשחרר ביומולקולות משובצות.

זה עתה צפיתם בסקירה של JoVE על חומרים שמקורם ביולוגית. כעת אתם אמורים להבין את המקורות והתכונות של כמה ביו-חומרים נפוצים, חלק מהטכניקות המשמשות במעבדה כדי לעבד אותם, וכמה אתגרים שקשורים לשימוש בהם. תודה שצפית.