Overzicht van biomaterialen

Biologie wordt nu gebruikt om engineeringuitdagingen aan te gaan, omdat biologisch afgeleide materialen belangrijke eigenschappen bieden die door de mens gemaakte materialen niet kunnen. Bio-afgeleide materialen, soms biomaterialen genoemd, worden gemaakt van levende of ooit levende organismen. Deze materialen zijn recent populair geworden omdat ze biocompatibel zijn en kunnen fungeren als matrixsen die biomoleculen en cellen kunnen huisvesten. Deze video zal verschillende bio-afgeleide materialen introduceren en veelvoorkomende technieken en uitdagingen op het gebied introduceren.

Er zijn veel biologisch afgeleide polymeren, of biopolymeren, die worden gebruikt in bio-engineering onderzoek. Ten eerste is collageen een veelgebruikt eiwitpolymeer dat meestal wordt afgeleid van runderhuid, pees en bot en zelfs rattenstaarten. Collageenvezels hebben een drievoudige helixstructuur die het materiaal sterkte en stijfheid geeft. Vanwege deze eigenschap wordt collageen vaak gebruikt als een structureel onderdeel van geconstrueerd weefsel, vooral in kunstmatig bot en huid. Een ander veel voorkomend eiwitpolymeer is zijde die wordt afgeleid van het cocon van zijderupslarven. De secundaire structuur van dit eiwit heeft uitgestrekte kristallijne gebieden van bèta-vellen die hoge sterkte en flexibiliteit mogelijk maken. Net als bij collageen wordt zijde vaak gebruikt als het structurele onderdeel van kunstmatig weefsel, meestal in flexibel weefsel zoals huid en spier. Echter, zijde wordt ook gegoten als een dunne film voor optische apparaten, evenals elektrische apparaatsubstraten. Chitosan, een ander biopolymeer, is het polysacharide dat wordt afgeleid van schaaldierenschelpen zoals krabben of kreeften. De oplosbaarheid van het polymeer is pH-gebaseerd. Dit maakt eenvoudige controle van fabricageprocessen mogelijk door het verhogen van de pH om het materiaal te verharden. Chitosan wordt vaak gebruikt bij wondgenezing door een film te creëren die biocompatibel is met regenererend weefsel.

Laten we nu eens kijken naar enkele prominente methoden die worden gebruikt om deze biomaterialen te manipuleren. Ten eerste worden biomaterialen vaak gegoten als een hydrogel om een zeer hydrofiele structuur te creëren met verhoogde biocompatibiliteit. Een hydrogel is een solide polymeernetwerk met een hoog watergehalte en wordt vaak gebruikt als een weefselconstructie in kunstmatig weefsel. Om een hydrogel met collageen te maken, verwarmt u eerst het polymeer in een waterige oplossing, zoals groeimedia, en giet vervolgens de oplossing in een mal. De oplossing wordt vervolgens afgekoeld tot het vast is. UV-crosslinking kan ook worden gebruikt om de stabiliteit van de gel te verbeteren door covalente bindingen van residuen op de polymeerketens te maken. Alternatief kunnen hydrogelkralen worden gevormd door de polymeeroplossing druppelsgewijs toe te voegen aan een crosslinkingoplossing. De kralen worden vervolgens gebruikt om cellen in eiwitten te stabiliseren. Biomaterialen kunnen ook worden gebruikt om vezelige matten te vormen via elektronenspinnen. Deze techniek wordt uitgevoerd door een elektrisch veld aan te brengen tussen een verzameloppervlak en de punt van een spuit die biopolymeeroplossing bevat. Dit induceert de vorming van microschaalvezels die vervolgens structuren creëren die de extracellulaire matrix in weefsel nabootsen. Alternatief kunnen dunne films van biomaterialen worden bereid via elektrodepositie. Hiervoor wordt een potentiaal toegepast op een tweedraads cel die de biomateriaaloplossing bevat. Het biomateriaal migreert naar een van de elektroden en vormt een dunne film op het oppervlak. Deze dunne films kunnen worden gebruikt om een oppervlak biocompatibel te maken, bijvoorbeeld om oppervlakte-geassembleerde enzymen in cellen te stabiliseren. In dit geval stabiliseert een dunne chitosanfilm het enzym glucoseoxidase. Bovendien worden biomaterialen vaak in oplossing gegoten op een oppervlak om een dunne film te vormen. De oplossing wordt eerst op een substraat gedruppeld en vervolgens gedroogd om alle oplosmiddel te verwijderen. De dikte van de film wordt geregeld met behulp van het volume en de concentratie van de oplossing.

Hoewel biomaterialen veel worden gebruikt in bio-engineering, zijn er inherente uitdagingen verbonden aan hun gebruik. Ten eerste bezitten biomaterialen natuurlijke eigenschappen die worden bepaald door hun bron en moleculaire structuur. Hoewel deze materialen kunnen worden benut voor een breed scala aan toepassingen, kan het moeilijk zijn om hun inherente eigenschappen te wijzigen. Bovendien verandert de verwerking van het materiaal hun eigenschappen, soms op een nadelige manier. Biomaterialen zijn afgeleid van natuurlijke bronnen die kunnen variëren op basis van de organismensoort en omgevingsfactoren zoals seizoen. Dit kan resulteren in variabiliteit tussen batches die kleine verschillen in de uiteindelijke toepassing veroorzaakt. Ten slotte zijn de meeste biomaterialen wateroplosbaar, waardoor hun stabiliteit wordt beperkt. Aangezien sommige toepassingen vereisen dat het materiaal permanent is, kunnen crosslinking- of stabiliseringstechnieken vereist zijn om hun levensduur te verlengen. Dit kan echter resulteren in ongewenste veranderingen in de mechanische eigenschappen.

Biologisch afgeleide materialen worden gebruikt in een breed scala van toepassingen in bio-engineering onderzoek. Ten eerste worden biomaterialen vaak gebruikt in toepassingen voor geneesmiddelafgifte, omdat ze meestal biologisch afbreekbaar en biocompatibel zijn. Bijvoorbeeld, hydrogels bieden een biocompatibel matrix dat gevoelige geneesmiddelmoleculen kan houden. Ze degraderen met een voorspelbare snelheid, afhankelijk van de eigenschappen van het materiaal, waardoor de gecontroleerde afgifte van een geneesmiddel mogelijk is. Biomaterialen zijn uitgebreid gebruikt in de geneeskunde, specifiek met zijden hechtingen en met chitosan-gebaseerde verbanden en lijmstof voor wondgenezing. In dit voorbeeld werden chirurgische hechtingsfilms van chitosan bereid met een medisch diagnostisch kleurmiddel. Ze werden later versmolten over gesneden weefsel om het wond te sluiten als alternatief voor hechtingen. Een zich ontwikkelend gebied van het biomaterialengebied behandelt eiwitten en andere biomoleculen, zoals DNA in dit geval, als polymeermaterialen. Hiervoor worden DNA-strengen ontworpen met een specifieke sequentie die de precieze vouwing van de DNA-streng in complexe structuren en patronen genaamd DNA origami induceert. Deze structuren kunnen vervolgens worden gebruikt om functionele assemblages te maken die