Overview dei biomateriali

La biologia viene ora utilizzata per affrontare le sfide ingegneristiche poiché i materiali di derivazione biologica offrono proprietà chiave che i materiali artificiali non possono. I materiali bio-derivati, a volte chiamati biomateriali, sono creati da organismi viventi o una volta viventi. Questi materiali hanno guadagnato popolarità di recente in quanto sono biocompatibili e possono agire come matrici che possono ospitare biomolecole e cellule. Questo video introdurrà diversi materiali bioderi derivati e introdurrà tecniche e sfide comuni nel campo.

Ci sono molti polimeri di derivazione biologica, o biopolimeri, utilizzati nella ricerca bioingegneria. In primo luogo, il collagene è un polimero proteico ampiamente utilizzato tipicamente derivato dalla pelle bovina, dal tendine e dall'osso e persino dalla coda di ratto. Le fibre di collagene possiedono una struttura a tripla elica che conferisce al materiale resistenza e rigidità. A causa di questa proprietà, il collagene è spesso usato come componente strutturale di costrutti tissutali ingegnerizzati soprattutto nelle ossa e nella pelle come il tessuto artificiale. Un altro polimero proteico comune è la seta che deriva dal bozzolo delle larve di falena di seta. La struttura secondaria di questa proteina ha vaste regioni cristalline di fogli beta che consentono un'elevata resistenza e flessibilità. Come per il collagene, la seta è spesso usata come componente strutturale del tessuto artificiale, in genere nei tessuti flessibili come la pelle e i muscoli. Tuttavia, la seta viene anche colata come film sottile per dispositivi ottici e substrati di dispositivi elettrici. Il chitosano, un altro biopolimero, è il polisaccaride derivato da gusci di crostacei come granchi o aragoste. La solubilità del polimero è basata sul pH. Ciò consente il semplice controllo dei processi di fabbricazione aumentando il pH per solidificare il materiale. Il chitosano viene spesso utilizzato nella guarigione delle ferite creando un film biocompatibile con il tessuto rigenerante.

Ora diamo un'occhiata ad alcuni metodi importanti utilizzati per manipolare questi biomateriali. In primo luogo, i biomateriali sono spesso fusi come idrogel per creare una struttura altamente idrofila con una maggiore biocompatibilità. Un idrogel è una rete polimerica simile a un solido con alto contenuto di acqua ed è spesso usato come costrutto tissutale nel tessuto artificiale. Per fare un idrogel con collagene, prima riscaldare il polimero in una soluzione acquosa, come i mezzi di crescita, e quindi gettare la soluzione in uno stampo. La soluzione viene quindi raffreddata fino a quando non è solida. La reticolazione UV può anche essere utilizzata per migliorare la stabilità del gel collegando covalentemente i residui sulle catene polimeriche. In alternativa, le perline di idrogel possono essere formate aggiungendo la soluzione polimerica a goccia a una soluzione reticolante. Le perine vengono quindi utilizzate per stabilizzare le cellule nelle proteine. I biomateriali possono anche essere utilizzati per formare stuoie fibrose tramite elettrofilatura. Questa tecnica viene eseguita applicando un campo elettrico tra una superficie del collettore e la punta di una siringa contenente una soluzione di biopolimero. Ciò induce la formazione di fibre su microscala che poi creano strutture che imitano la matrice extracellulare nei tessuti. In alternativa, i film sottili di biomateriale possono essere preparati tramite elettrodeposizione. Per questo, un potenziale viene applicato a una cella a due elettrodi contenente la soluzione di biomateriale. Il biomateriale migra verso uno degli elettrodi formando un film sottile sulla superficie. Questi film sottili possono essere utilizzati per rendere biocompatibile una superficie, ad esempio, per stabilizzare gli enzimi assemblati in superficie nelle cellule. In questo caso, un film sottile di chitosano stabilizza l'enzima glucosio ossidasi. Inoltre, i biomateriali sono spesso gettati in soluzione su una superficie per formare un film sottile. La soluzione viene prima lasciata cadere su un substrato, quindi asciugata per rimuovere tutto il solvente. Lo spessore del film viene controllato utilizzando il volume e la concentrazione della soluzione.

Sebbene i biomateriali siano ampiamente utilizzati nella bioingegneria, ci sono sfide intrinseche associate al loro uso. In primo luogo, i biomateriali possiedono proprietà naturali che sono governate dalla loro fonte e struttura molecolare. Mentre questi materiali possono essere sfruttati per una vasta gamma di applicazioni, modificare le loro proprietà intrinseche può essere difficile. Inoltre, l'elaborazione del materiale altera le loro proprietà, a volte in modo negativo. I biomateriali sono derivati da fonti naturali che possono variare in base alle specie dell'organismo e ai fattori ambientali come la stagione. Ciò può comportare una variabilità da lotto a lotto che causa piccole differenze nell'applicazione finale. Infine, la maggior parte dei biomateriali sono solubili in acqua, limitando così la loro stabilità. Poiché alcune applicazioni richiedono che il materiale sia permanente, possono essere necessarie tecniche di reticolazione o stabilizzazione per prolungarne la durata. Tuttavia, ciò può comportare modifiche indesiderate alle proprietà meccaniche.

I materiali di derivazione biologica sono utilizzati in una vasta gamma di applicazioni nella ricerca bioingegneria. In primo luogo, i biomateriali sono spesso utilizzati nelle applicazioni di somministrazione di farmaci poiché sono tipicamente biodegradabili e biocompatibili. Ad esempio, gli idrogel offrono una matrice biocompatibile in grado di contenere molecole di farmaci sensibili. Si degradano a una velocità prevedibile a seconda delle proprietà del materiale, consentendo così il rilascio controllato di un farmaco. I biomateriali sono stati ampiamente utilizzati in medicina, in particolare con suture di seta e con bende e adesivi a base di chitosano per la guarigione delle ferite. In questo esempio, le pellicole adesive chirurgiche di chitosano sono state preparate con un colorante diagnostico medico. In seguito sono stati fusi attraverso il tessuto tagliato per chiudere la ferita in alternativa alle suture. Un'area in evoluzione del campo dei biomateriali tratta le proteine e altre biomolecole, come il DNA in questo caso, come materiali polimerici. Per questo, i filamenti di DNA sono progettati con una sequenza specifica che induce il ripiegamento preciso del filamento di DNA in strutture e modelli complessi chiamati origami di DNA. Queste strutture possono quindi essere utilizzate per creare assemblaggi funzionali in grado di percepire segnali biologici, cambiare forma o rilasciare biomolecole incorporate.

Hai appena visto la panoramica di JoVE sui materiali di derivazione biologica. Ora dovresti capire le origini e le proprietà di diversi biomateriali comuni, alcune tecniche utilizzate in laboratorio per elaborarli e alcune sfide associate al loro uso. Grazie per l'attenzione.