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
Biomaterialen zijn materialen die zijn ontworpen om gunstig te interageren met biologische organismen of moleculen. Deze materialen kunnen zijn afgele…
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
Biologie wordt nu gebruikt om technische uitdagingen aan te pakken, omdat biologisch afgeleid materiaal belangrijke eigenschappen biedt die kunstmatige 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 matrices die biomoleculen en cellen kunnen huisvesten. Deze video introduceert verschillende bio-afgeleide materialen en introduceert gebruikelijke technieken en uitdagingen op het gebied.
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 verkregen uit runderhuid, pezen en botten en zelfs rattenstaarten. Collageenvezels bezitten een triple helix structuur die het materiaal sterkte en stijfheid geeft. Vanwege deze eigenschap wordt collageen vaak gebruikt als een structureel onderdeel van geconstrueerd weefsel, vooral in bot en huid-achtig kunstmatig weefsel. Een ander veel voorkomend eiwitpolymeer is zijde die wordt verkregen uit de cocon van zijderupsen. De secundaire structuur van dit eiwit heeft uitgestrekte kristallijne gebieden van beta-vellen die hoge sterkte en flexibiliteit mogelijk maken. Net als bij collageen wordt zijde vaak gebruikt als structureel onderdeel van kunstmatig weefsel, meestal in flexibel weefsel zoals huid en spier. Sijde wordt echter ook gegoten als een dunne film voor optische apparaten evenals elektrische apparaatsubstraten. Chitosane, een ander biopolymeer, is het polysacharide dat wordt verkregen uit schaal van schaaldieren 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. Chitosane 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 hoog hydrofiele structuur te creëren met verhoogde biocompatibiliteit. Een hydrogel is een solide-achtig polymeernetwerk met hoog watergehalte en wordt vaak gebruikt als weefselconstructie in kunstmatig weefsel. Om een hydrogel met collageen te maken, verwarmt u eerst het polymeer in een waterige oplossing, zoals groeimedia, en giet u de oplossing vervolgens in een mal. De oplossing wordt dan afgekoeld tot het vast is. UV-crosslinking kan ook worden gebruikt om de stabiliteit van de gel te verbeteren door covalente bindingen te maken tussen residuen op de polymeerketens. Alternatief kunnen hydrogelkorrels worden gevormd door de polymeeroplossing druppelsgewijs toe te voegen aan een crosslinking-oplossing. De korrels worden vervolgens gebruikt om cellen in eiwitten te stabiliseren. Biomaterialen kunnen ook worden gebruikt om vezelige matten te vormen via elektrospinnen. 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 biomateriaal dunne films worden bereid via electrodepositie. Hiervoor wordt een potentiaal aangelegd 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 oppervlak-geassembleerde enzymen in cellen te stabiliseren. In dit geval stabiliseert een chitosan dunne film het enzym glucose-oxidase. 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 al het 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 batch-tot-batch variabiliteit 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 stabilisatietechnieken vereist zijn om hun levensduur te verlengen. Dit kan echter leiden tot 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. Hydrogels bieden bijvoorbeeld een biocompatibel matrix dat gevoelige geneesmiddelmoleculen kan bevatten. 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 lijmen voor wondgenezing. In dit voorbeeld werden chirurgische hechtingsfilms van chitosan bereid met een medisch diagnostisch kleurmiddel. Ze werden later versmolten over gesneden weefsel om de wond te sluiten als alternatief voor hechtingen. Een zich ontwikkelend gebied van het biomaterialenveld behandelt eiwitten en andere biomoleculen, zoals DNA in dit geval, als polymeermaterialen. Hiervoor worden DNA-strengen ontworpen met een specifiek sequentie die de nauwkeurige 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 biologische signalen kunnen waarnemen, vorm kunnen veranderen of ingebedde biomoleculen kunnen afgeven.
Je hebt zojuist JoVE's overzicht van biologisch afgeleide materialen bekeken. Je zou nu de oorsprong en eigenschappen van verschill
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What are the main types of biopolymers used in bioengineering?
Common biopolymers include collagen, a protein polymer from bovine skin and bone with a triple helix structure providing strength; silk, derived from silk moth cocoons with crystalline beta sheets enabling high strength and flexibility; and chitosan, a polysaccharide from crustacean shells with pH-based solubility. Each offers distinct properties for different applications.
Q2: How does electrospinning create biomaterial structures?
Electrospinning applies an electric field between a collector surface and a syringe tip containing biopolymer solution. This induces formation of microscale fibers that create structures mimicking the extracellular matrix in tissue. The resulting fibrous mats are useful for tissue engineering and regenerative medicine applications.
Q3: What is a hydrogel and why is it useful in bioengineering?
A hydrogel is a solid-like polymer network with high water content and increased biocompatibility. Hydrogels are created by heating biopolymers in aqueous solutions, casting in molds, and cooling until solid. They serve as tissue constructs in artificial tissue and can hold sensitive drug molecules for controlled release applications.
Q4: What are the main challenges associated with using biomaterials?
Biomaterials face several challenges: their natural properties are difficult to modify, processing can alter properties adversely, batch-to-batch variability occurs due to differences in organism species and environmental factors, and most are water-soluble limiting stability. Crosslinking can extend lifetime but may cause undesirable mechanical property changes.
Q5: How are biomaterials applied in drug delivery?
Biomaterials are frequently used in drug delivery because they are biodegradable and biocompatible. Hydrogels offer a biocompatible matrix to hold sensitive drug molecules and degrade at predictable rates depending on material properties, enabling controlled release of drugs over time for therapeutic benefit.
Q6: What is DNA origami and how does it relate to biomaterials?
DNA origami involves designing DNA strands with specific sequences that induce precise folding into complex structures and patterns. These structures are treated as polymer materials and can create functional assemblies able to sense biological cues, change shape, or release embedded biomolecules for advanced bioengineering applications.
Q7: How does chitosan film improve wound healing?
Chitosan is a polysaccharide from crustacean shells with pH-based solubility enabling simple control of fabrication. Chitosan films are biocompatible with regenerating tissue and are used in wound healing applications. Chitosan surgical adhesive films can be fused across cut tissue to close wounds as an alternative to sutures.
Hoofdstukken in deze video
0:07
Overview
0:43
Common Biomaterials
2:23
Prominent Methods
4:36
Key Challenges
5:48
Applications
7:20
Summary