生体材料の概要

生物学は、生物学的に由来する材料が人工材料にはない重要な特性を提供するため、工学的課題に対処するために現在使用されています。バイオ由来の材料は、バイオマテリアルと呼ばれることもあり、生物またはかつての生物から作られます。これらの材料は、生体適合性があり、生体分子や細胞を収容できるマトリックスとして機能することができるため、最近人気が高まっています。このビデオでは、いくつかのバイオ由来の材料を紹介し、現場での一般的な技術と課題を紹介します。

バイオエンジニアリング研究で使用される多くの生物学的に由来するポリマー、またはバイオポリマーがあります。まず、コラーゲンは広く使用されているタンパク質ポリマーで、通常はウシの皮膚、腱、骨、さらにはラットの尾に由来します。コラーゲン繊維は、材料の強度と剛性を与える三重らせん構造を持っています。この特性により、コラーゲンは、特に人工組織のような骨や皮膚の人工組織構造の構造成分としてよく使用されます。別の一般的なタンパク質ポリマーは、カイコの幼虫の繭に由来するシルクです。このタンパク質の二次構造は、ベータシートの広大な結晶領域を持ち、高い強度と柔軟性を実現しています。コラーゲンと同様に、シルクは人工組織の構造成分として、通常は皮膚や筋肉などの柔軟な組織によく使用されます。しかし、絹は電気デバイスの基板だけでなく、光学デバイスの薄膜としても鋳造されています。キトサンは、別の生体高分子で、カニやロブスターなどの甲殻類の殻に由来する多糖類です。ポリマーの溶解度はpHに基づいています。これにより、pHを上げて材料を固化させることで、製造プロセスを簡単に制御できます。キトサンは、再生組織と生体適合性のあるフィルムを作成することにより、創傷治癒によく使用されます。

それでは、これらの生体材料を操作するために使用されるいくつかの著名な方法を見てみましょう。まず、生体材料は、生体適合性を高めた親水性の高い構造を作り出すために、ハイドロゲルとして鋳造されることがよくあります。ハイドロゲルは、水分含有量の高い固体状のポリマーネットワークであり、人工組織の組織構築物としてよく使用されます。コラーゲンを含むハイドロゲルを作るには、まずポリマーを成長培地などの水溶液で加熱し、次に溶液を型に流し込みます。次に、溶液を固体になるまで冷却します。UV架橋は、ポリマー鎖上の残基を共有結合することにより、ゲルの安定性を向上させるためにも使用できます。あるいは、架橋溶液にポリマー溶液を滴下して添加することにより、ヒドロゲルビーズを形成することができます。その後、ビーズはタンパク質中の細胞を安定化するために使用されます。生体材料は、エレクトロスピニングによって繊維状マットを形成するためにも使用できます。この手法は、コレクター表面とバイオポリマー溶液を含むシリンジの先端との間に電界を印加することによって実行されます。これにより、マイクロスケールの繊維が形成され、組織内の細胞外マトリックスを模倣した構造が作られます。あるいは、電着によって生体材料の薄膜を調製することもできます。このために、生体材料溶液を含む2電極セルに電位が印加されます。生体材料は電極の1つに移動し、表面に薄膜を形成します。これらの薄膜は、例えば、細胞内の表面集合酵素を安定化させるために、表面を生体適合性にするために使用することができます。この場合、キトサン薄膜が酵素グルコースオキシダーゼを安定化させます。さらに、生体材料は、多くの場合、表面に溶液を塗布して薄膜を形成します。溶液を最初に基板上に滴下し、次に乾燥させてすべての溶媒を除去します。膜厚は、溶液の量と濃度を使用して制御されます。

バイオマテリアルはバイオエンジニアリングで広く使用されていますが、その使用には固有の課題があります。まず、生体材料は、その供給源と分子構造によって支配される自然の性質を持っています。これらの材料は幅広い用途に利用できますが、その固有の特性を変更することは困難です。さらに、材料の処理は、時には不利な方法で、それらの特性を変化させます。バイオマテリアルは、生物種や季節などの環境要因によって異なる天然資源に由来します。これにより、バッチ間のばらつきが発生し、最終的なアプリケーションに小さな違いが生じる可能性があります。最後に、ほとんどの生体材料は水溶性であるため、安定性が制限されます。一部のアプリケーションでは材料が永続的である必要があるため、寿命を延ばすために架橋または安定化技術が必要になる場合があります。ただし、これにより、機械的特性に望ましくない変更が生じる可能性があります。

生物由来の材料は、バイオエンジニアリング研究の幅広い用途で使用されています。まず、生体材料は、通常、生分解性で生体適合性があるため、ドラッグデリバリーアプリケーションで頻繁に使用されます。例えば、ハイドロゲルは、敏感な薬物分子を保持できる生体適合性マトリックスを提供します。それらは、材料の特性に応じて予測可能な速度で分解するため、薬物の制御された放出が可能になります。生体材料は、特に絹の縫合糸や、創傷治癒のためのキトサンベースの包帯や接着剤など、医療で広く使用されています。この例では、キトサン外科用接着フィルムを医療診断用色素を用いて調製した。その後、縫合糸の代替として、切断された組織を横切って癒合して傷口を閉じました。バイオマテリアル分野の進化している領域では、タンパク質やその他の生体分子(この場合はDNAなど)をポリマー材料として扱います。このために、DNA鎖は、DNAオリガミと呼ばれる複雑な構造とパターンにDNA鎖の正確な折り畳みを誘導する特定の配列で設計されています。これらの構造は、生物学的な手がかりを感知したり、形状を変えたり、埋め込まれた生体分子を放出したりできる機能的アセンブリを作成するために使用できます。

JoVEの生物学的に由来する材料の概要をご覧になりました。これで、いくつかの一般的な生体材料の起源と特性、それらを処理するために研究室で使用されるいくつかの技術、およびそれらの使用に関連するいくつかの課題を理解する必要があります。ご覧いただきありがとうございます。