Name: Projektowanie materiałów ze stopów białek jedwabiu i jedwabiu do zastosowań biomedycznych (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-08-13T14:15:00.000+00:00
Duration: 11 min 14 s
Description: Poznaj metodę wytwarzania stopów białkowych z jedwabiu do zastosowań biomedycznych. Procedura obejmuje regenerację roztworów białkowych z kokonów jedwabników, mieszanie ich w różnych proporcjach oraz integrację z obwodami elektronicznymi.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Autorzy dziękują Rowan University za wsparcie tych badań. XH dziękuje również dr Davidowi L. Kaplanowi z Tufts University i NIH P41 Tissue Engineering Resource Center (TERC) za wcześniejsze szkolenia techniczne.

<ol><li>Rosenbloom, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Extracellular+matrix+4%3A+The+elastic+fiber%5BTitle%5D)+AND+%22FASEB+J%22%5BJournal%5D)">Extracellular matrix 4: The elastic fiber.</a> FASEB J. 7, 1208-1218 (1993).</li>
<li>Traub, W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((On+the+molecular+structure+of+collagen%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">On the molecular structure of collagen.</a> Nature. 221, 914-917 (1969).</li>
<li>Hu, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Protein-Based+Composite+Materials%5BTitle%5D)+AND+%22Materials+Today%22%5BJournal%5D)">Protein-Based Composite Materials.</a> Materials Today. 15, 208-215 (2012).</li>
<li>Hardy, J. G., Scheibel, T. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Composite+materials+based+on+silk+proteins%5BTitle%5D)+AND+%22Progress+in+Polymer+Science%22%5BJournal%5D)">Composite materials based on silk proteins.</a> Progress in Polymer Science. 35, 1093-1115 (2010).</li>
<li>Kidoaki, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mesoscopic+spatial+designs+of+nano-+and+microfiber+meshes+for+tissue-engineering+matrix+and+scaffold+based+on+newly+devised+multilayering+and+mixing+electrospinning+techniques%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">Mesoscopic spatial designs of nano- and microfiber meshes for tissue-engineering matrix and scaffold based on newly devised multilayering and mixing electrospinning techniques.</a> Biomaterials. 26, 37-46 (2005).</li>
<li>Teng, W. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Recombinant+silk-elastin+like+protein+polymer+displays+elasticity+comparable+to+elastin%5BTitle%5D)+AND+%22Biomacromolecules%22%5BJournal%5D)">Recombinant silk-elastin like protein polymer displays elasticity comparable to elastin.</a> Biomacromolecules. 10, 3028-3036 (2009).</li>
<li>Foo, C. W. P., Kaplan, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Genetic+engineering+of+fibrous+proteins%2C+spider+dragline%2C+silk+and+collagen%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Drug+Delivery+Rev%22%5BJournal%5D)">Genetic engineering of fibrous proteins, spider dragline, silk and collagen.</a> Adv Drug Delivery Rev. 54, 1131-1143 (2002).</li>
<li>Hu, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Charge-Tunable+Autoclaved+Silk-Tropoelastin+Protein+Alloys+That+Control+Neuron+Cell+Responses%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Funct.+Mater%22%5BJournal%5D)">Charge-Tunable Autoclaved Silk-Tropoelastin Protein Alloys That Control Neuron Cell Responses.</a> Adv. Funct. Mater. 23, 3875-3884 (2013).</li>
<li>Hu, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biomaterials+derived+from+silk-tropoelastin+protein+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">Biomaterials derived from silk-tropoelastin protein systems.</a> Biomaterials. 31, 8121-8131 (2010).</li>
<li>Hu, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+influence+of+elasticity+and+surface+roughness+on+myogenic+and+osteogenic-differentiation+of+cells+on+silk-elastin+biomaterials%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">The influence of elasticity and surface roughness on myogenic and osteogenic-differentiation of cells on silk-elastin biomaterials.</a> Biomaterials. 32, 8979-8989 (2011).</li>
<li>Hu, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Biomaterials+from+ultrasonication-induced+silk+fibroin-hyaluronic+acid+hydrogels%5BTitle%5D)+AND+%22Biomacromolecules%22%5BJournal%5D)">Biomaterials from ultrasonication-induced silk fibroin-hyaluronic acid hydrogels.</a> Biomacromolecules. 11, 3178-3188 (2010).</li>
<li>Gil, E. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Swelling+behavior+and+morphological+evolution+of+mixed+gelatin%2Fsilk+fibroin+hydrogels%5BTitle%5D)+AND+%22Biomacromolecules%22%5BJournal%5D)">Swelling behavior and morphological evolution of mixed gelatin/silk fibroin hydrogels.</a> Biomacromolecules. 6, 3079-3087 (2005).</li>
<li>Lu, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Green+process+to+prepare+silk+fibroin%2Fgelatin+biomaterial+scaffolds%5BTitle%5D)+AND+%22Macromol.+Biosci%22%5BJournal%5D)">Green process to prepare silk fibroin/gelatin biomaterial scaffolds.</a> Macromol. Biosci. 10, 289-298 (2010).</li>
<li>Lu, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Insoluble+and+flexible+silk+films+containing+glycerol%5BTitle%5D)+AND+%22Biomacromolecules%22%5BJournal%5D)">Insoluble and flexible silk films containing glycerol.</a> Biomacromolecules. 11, 143-150 (2010).</li>
<li>Mandal, B. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Silk+fibroin%2Fpolyacrylamide+semi-interpenetrating+network+hydrogels+for+controlled+drug+release%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">Silk fibroin/polyacrylamide semi-interpenetrating network hydrogels for controlled drug release.</a> Biomaterials. 30, 2826-2836 (2009).</li>
<li>Yeo, I. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Collagen-based+biomimetic+nanofibrous+scaffolds%2C+preparation+and+characterization+of+collagen%2Fsilk+fibroin+bicomponent+nanofibrous+structures%5BTitle%5D)+AND+%22Biomacromolecules%22%5BJournal%5D)">Collagen-based biomimetic nanofibrous scaffolds, preparation and characterization of collagen/silk fibroin bicomponent nanofibrous structures.</a> Biomacromolecules. 9, 1106-1116 (2008).</li>
<li>Holst, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Substrate+elasticity+provides+mechanical+signals+for+the+expansion+of+hemopoietic+stem+and+progenitor+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Biotechnol%22%5BJournal%5D)">Substrate elasticity provides mechanical signals for the expansion of hemopoietic stem and progenitor cells.</a> Nat. Biotechnol. 28, 1123-1128 (2010).</li>
<li>Omenetto, F. G., Kaplan, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((New+Opportunities+for+an+Ancient+Material%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">New Opportunities for an Ancient Material.</a> Science. 329, 528-531 (2010).</li>
<li>Qin, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanism+of+resilin+elasticity%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">Mechanism of resilin elasticity.</a> Nature Communications. 3, 1003(2012).</li>
<li>Rockwood, D. N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Materials+fabrication+from+Bombyx+mori+silk+fibroin%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Protocols%22%5BJournal%5D)">Materials fabrication from Bombyx mori silk fibroin.</a> Nat. Protocols. 6, 1612-1631 (2011).</li>
<li>Wise, S. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Engineered+tropoelastin+and+elastin-based+biomaterials%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Protein+Chem+Struct+Biol%22%5BJournal%5D)">Engineered tropoelastin and elastin-based biomaterials.</a> Adv Protein Chem Struct Biol. 78, 1-24 (2009).</li>
<li>Amsden, J. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rapid+nanoimprinting+of+silk+fibroin+films+for+biophotonic+applications%5BTitle%5D)+AND+%22Adv.+Mater%22%5BJournal%5D)">Rapid nanoimprinting of silk fibroin films for biophotonic applications.</a> Adv. Mater. 22, 1746-1749 (2010).</li>
<li>Lawrence, B. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Silk+film+biomaterials+for+cornea+tissue+engineering%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">Silk film biomaterials for cornea tissue engineering.</a> Biomaterials. 30, 1299-1308 (2009).</li>
<li>Kim, D. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dissolvable+films+of+silk+fibroin+for+ultrathin+conformal+bio-integrated+electronics%5BTitle%5D)+AND+%22Nat.+Mater%22%5BJournal%5D)">Dissolvable films of silk fibroin for ultrathin conformal bio-integrated electronics.</a> Nat. Mater. 9, 511-517 (2010).</li>
<li>Zhang, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Stabilization+of+vaccines+and+antibiotics+in+silk+and+eliminating+the+cold+chain%5BTitle%5D)+AND+%22Proc+Natl+Acad+Sci+U+S+A%22%5BJournal%5D)">Stabilization of vaccines and antibiotics in silk and eliminating the cold chain.</a> Proc Natl Acad Sci U S A. 109, 11981-11986 (2012).</li>
<li>Pritchard, E. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+silk+protein+processing+on+drug+delivery+from+silk+films%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecular+Bioscience%22%5BJournal%5D)">Effect of silk protein processing on drug delivery from silk films.</a> Macromolecular Bioscience. 13, 311-320 (2013).</li>
<li>Lammel, A. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Controlling+silk+fibroin+particle+features+for+drug+delivery%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">Controlling silk fibroin particle features for drug delivery.</a> Biomaterials. 31, 4583-4591 (2010).</li>
<li>Urry, D. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Physical+chemistry+of+biological+free+energy+transduction+as+demonstrated+by+elastic+protein-based+polymers%5BTitle%5D)+AND+%22J+Phys+Chem+B%22%5BJournal%5D)">Physical chemistry of biological free energy transduction as demonstrated by elastic protein-based polymers.</a> J Phys Chem B. 101, 11007-11028 (1997).</li>
<li>Shao, Z., Vollrath, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Materials%3A+Surprising+strength+of+silkworm+silk%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Materials: Surprising strength of silkworm silk.</a> Nature. 418, 741-741 (2002).</li>
<li>Jin, H. J., Kaplan, D. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanism+of+silk+processing+in+insects+and+spiders%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">Mechanism of silk processing in insects and spiders.</a> Nature. 424, 1057-1061 (2003).</li>
<li>Hu, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Determining+Beta-Sheet+Crystallinity+in+Fibrous+Proteins+by+Thermal+Analysis+and+Infrared+Spectroscopy%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecules%22%5BJournal%5D)">Determining Beta-Sheet Crystallinity in Fibrous Proteins by Thermal Analysis and Infrared Spectroscopy.</a> Macromolecules. 39, 6161-6170 (2006).</li>
<li>Hu, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dynamic+Protein-Water+Relationships+during+%CE%B2-Sheet+Formation%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecules%22%5BJournal%5D)">Dynamic Protein-Water Relationships during β-Sheet Formation.</a> Macromolecules. 41, 3939-3948 (2008).</li>
<li>Hu, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microphase+separation+controlled+beta-sheet+crystallization+kinetics+in+fibrous+proteins%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecules%22%5BJournal%5D)">Microphase separation controlled beta-sheet crystallization kinetics in fibrous proteins.</a> Macromolecules. 42, 2079-2087 (2009).</li>
<li>Cebe, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Beating+the+Heat+-+Fast+Scanning+Melts+Beta+Sheet+Crystals%5BTitle%5D)+AND+%22Scientific+Reports%22%5BJournal%5D)">Beating the Heat - Fast Scanning Melts Beta Sheet Crystals.</a> Scientific Reports. 3, 1130(2013).</li>
<li>Pyda, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Heat+Capacity+of+Silk+Fibroin+Based+on+the+Vibrational+Motion+of+Poly%28amino+acid%29s+in+the+Presence+and+Absence+of+Water%5BTitle%5D)+AND+%22Macromolecules%22%5BJournal%5D)">Heat Capacity of Silk Fibroin Based on the Vibrational Motion of Poly(amino acid)s in the Presence and Absence of Water.</a> Macromolecules. 41, 4786-4793 (2008).</li>
<li>Buxton, G. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+lattice+spring+model+of+heterogeneous+materials+with+plasticity%5BTitle%5D)+AND+%22Model.+Simul.+Mater.+Sci.+Eng%22%5BJournal%5D)">A lattice spring model of heterogeneous materials with plasticity.</a> Model. Simul. Mater. Sci. Eng. 9, 485-497 (2001).</li>
<li>Buxton, G. A., Balazs, A. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+the+dynamic+fracture+of+polymer+blends+processed+under+shear%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Modeling the dynamic fracture of polymer blends processed under shear.</a> Phys. Rev. B. 69, 054101(2004).</li>
<li>Kolmakov, G. V., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Harnessing+labile+bonds+between+nanogel+particles+to+create+self-healing+materials%5BTitle%5D)+AND+%22ACS+Nano%22%5BJournal%5D)">Harnessing labile bonds between nanogel particles to create self-healing materials.</a> ACS Nano. 3, 885-892 (2009).</li>
<li>Duki, S. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+the+nanoscratching+of+self-healing+materials%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Chem.+Phys%22%5BJournal%5D)">Modeling the nanoscratching of self-healing materials.</a> J. Chem. Phys. 134, 084901(2011).</li>
<li>Bell, G. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Models+for+the+specific+adhesion+of+cells+to+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Models for the specific adhesion of cells to cells.</a> Science. 200, 618-627 (1978).</li>
<li>Bell, G. I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cell+adhesion.+Competition+between+nonspecific+repulsion+and+specific+bonding%5BTitle%5D)+AND+%22Biophys.+J%22%5BJournal%5D)">Cell adhesion. Competition between nonspecific repulsion and specific bonding.</a> Biophys. J. 45, 1051-1064 (1984).</li>
<li>Wang, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+various+dissolution+systems+on+the+molecular+weight+of+regenerated+silk+fibroin%5BTitle%5D)+AND+%22Biomacromolecules%22%5BJournal%5D)">Effect of various dissolution systems on the molecular weight of regenerated silk fibroin.</a> Biomacromolecules. 14, 285-289 (2013).</li>
<li>Wray, L. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+processing+on+silk-based+biomaterials%3A+reproducibility+and+biocompatibility%5BTitle%5D)+AND+%22J+Biomed+Mater+Res+B+Appl+Biomater%22%5BJournal%5D)">Effect of processing on silk-based biomaterials: reproducibility and biocompatibility.</a> J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 99, 89-101 (2011).</li>
<li>Lawrence, B. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Silk+film+culture+system+for+in+vitro+analysis+and+biomaterial+design%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Vis.+Exp%22%5BJournal%5D)">Silk film culture system for in vitro analysis and biomaterial design.</a> J. Vis. Exp. (62), e3646(2012).</li>
<li>Hu, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Regulation+of+Silk+Material+Structure+by+Temperature-Controlled+Water+Vapor+Annealing%5BTitle%5D)+AND+%22Biomacromolecules%22%5BJournal%5D)">Regulation of Silk Material Structure by Temperature-Controlled Water Vapor Annealing.</a> Biomacromolecules. 12, 1686-1696 (2011).</li>
<li>Yucel, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Vortex-induced+injectable+silk+fibroin+hydrogels%5BTitle%5D)+AND+%22Biophys+J%22%5BJournal%5D)">Vortex-induced injectable silk fibroin hydrogels.</a> Biophys J. 97, 2044-2050 (2009).</li>
<li>Yucel, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Non-equilibrium+silk+fibroin+adhesives%5BTitle%5D)+AND+%22J+Struct+Biol%22%5BJournal%5D)">Non-equilibrium silk fibroin adhesives.</a> J Struct Biol. 170, 406-412 (2010).</li>
<li>Flory, P. J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aFlory%2C+PJ+%22Principles+of+polymer+chemistry%22">Principles of polymer chemistry</a>. , Cornell University Press. Ithaca, N.Y.. (1953).</li>
<li>Chen, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+properties+and+phase+transitions+in+blends+of+Nylon-6+with+silk+fibroin%5BTitle%5D)+AND+%22J+Therm+Anal+Calorim%22%5BJournal%5D)">Thermal properties and phase transitions in blends of Nylon-6 with silk fibroin.</a> J Therm Anal Calorim. 93, 201-206 (2008).</li>
<li>Scabarozi, T. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Epitaxial+growth+and+electrical-transport+properties+of+Ti7Si2C5+thin+films+synthesized+by+reactive+sputter+deposition%5BTitle%5D)+AND+%22Scripta+Materialia%22%5BJournal%5D)">Epitaxial growth and electrical-transport properties of Ti7Si2C5 thin films synthesized by reactive sputter deposition.</a> Scripta Materialia. 65, 811-814 (2011).</li>
<li>Tao, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Silk+materials-a+road+to+sustainable+high+technology%5BTitle%5D)+AND+%22Adv+Mater%22%5BJournal%5D)">Silk materials-a road to sustainable high technology.</a> Adv Mater. 24, 2824-2837 (2012).</li>
<li>Annabi, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cross-linked+open-pore+elastic+hydrogels+based+on+tropoelastin%2C+elastin+and+high+pressure+CO2%5BTitle%5D)+AND+%22Biomaterials%22%5BJournal%5D)">Cross-linked open-pore elastic hydrogels based on tropoelastin, elastin and high pressure CO2.</a> Biomaterials. 31, 1655-1665 (2010).</li>
<li>Moll, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+human+keratins%3A+biology+and+pathology%5BTitle%5D)+AND+%22Histochem+Cell+Biol%22%5BJournal%5D)">The human keratins: biology and pathology.</a> Histochem Cell Biol. 129, 705-733 (2008).</li>
</ol>

Nie stwierdzono konfliktu interesów.

Jedną z najbardziej krytycznych procedur w produkcji systemu białek "stopowych" jest weryfikacja mieszalności mieszalnych białek. W przeciwnym razie jest to tylko niemieszająca się mieszanina białkowa lub złożony system białkowy bez stabilnych i przestrajalnych właściwości. W tym celu i potwierdzić właściwości ich stopów, można zastosować eksperymentalną metodę analizy termicznej. Interakcje białko-białko można rozpatrywać zgodnie z modelem kratowym Flory'ego-Hugginsa48 jako interakcje między "rozpuszczalnikie...

Natura wypracowała strategie generowania regulowanych i wielofunkcyjnych macierzy biologicznych przy użyciu ograniczonej liczby białek strukturalnych. Na przykład elastyny i kolageny są zawsze stosowane razem in vivo, aby zapewnić regulowaną wytrzymałość i funkcje wymagane dla konkretnych tkanek1,2. Kluczem do tej strategii jest mieszanie (blending). Mieszanie polega na łączeniu białek w określonych proporcjach i jest podejściem technologicznym pozwalającym na tworzenie prostych systemów materiałowych o regulowanych i zróżnicowanych właściwościach3-5. W porównaniu ze strategiami inżynierii syntetycznej6,7, mieszanie może również poprawić jednorodność materiału oraz łatwość jego przetwarzania dzięki prostocie operacyjnej8-16. W związku z tym projektowanie wielofunkcyjnych, biokompatybilnych materiałów z „stopów białkowych” jest rozwijającą się dziedziną badań medycznych. Technologia ta dostarczy również systematycznej wiedzy na temat wpływu naturalnych macierzy białkowych na funkcje komórek i tkanek zarówno in vitro, jak i in vivo10,17. Poprzez optymalizację interfejsów molekularnych między różnymi białkami, materiały oparte na stopach białkowych mogą obejmować szereg funkcji fizycznych, takich jak stabilność termiczna w różnych temperaturach, elastyczność wspierająca różnorodne tkanki, czułość elektryczna w zmiennych organach oraz właściwości optyczne dla regeneracji tkanki rogówki3,18-27. Wyniki tych badań dostarczą nowej platformy materiałów białkowych w dziedzinie nauk biomedycznych, mającej bezpośrednie znaczenie dla regulowanych napraw tkanek i leczenia chorób, co w dalszej kolejności doprowadzi do stworzenia biodegradowalnych implantów o nowatorskich funkcjach terapeutycznych i diagnostycznych3.
Wiele naturalnych białek strukturalnych posiada krytyczne właściwości fizyczne i bioaktywne, które mogą być wykorzystane jako kandydaci na macierze biomateriałowe. Jedwabie z różnych gatunków jedwabników, keratyny z włosów i wełny, elastyny i kolageny z różnych tkanek oraz różnorodne białka roślinne należą do najczęściej stosowanych białek strukturalnych w projektowaniu zróżnicowanych materiałów na bazie białek (Rysunek 1)18-27. Ogólnie białka te mogą tworzyć różne drugorzędowe struktury molekularne (np. harmonijki beta w przypadku jedwabi lub sploty w przypadku keratyn) dzięki ich unikalnym, powtarzalnym pierwotnym sekwencjom aminokwasowym3,28-35. Cechy te sprzyjają tworzeniu samorzutnie organizowanych struktur makroskopowych o unikalnych funkcjach na granicach biologicznych, co czyni je cennym zasobem materiałów biopolimerowych. W niniejszej pracy zastosowano dwa rodzaje białek strukturalnych (jako przykład białko A z dzikiego jedwabiu tussah oraz białko B z udomowionego jedwabiu morwowego), aby zaprezentować ogólne protokoły wytwarzania różnych biomateriałów w formie stopów białkowych. Zaprezentowane protokoły obejmują część 1: przewidywania i symulacje oddziaływań białek, część 2: otrzymywanie roztworów stopów białkowych oraz część 3: wytwarzanie systemów stopów białkowych do zastosowań optycznych, elektrycznych i farmaceutycznych.
<img alt="Przegląd włókien naturalnych: keratyna włosa, bambus, keratyna wełny, elastyna, jedwab morwowy, jedwab tusah." fo:content-width="5in" src="/files/ftp_upload/50891/50891fig1highres.jpg" width="500" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rycina 1"> 
Rycina 1. Surowce białek strukturalnych powszechnie stosowane w naszym laboratorium do projektowania materiałów opartych na białkach, w tym jedwabie od różnych gatunków jedwabników, keratyny z włosów i wełny, elastyny z różnych tkanek oraz różnorodne białka roślinne.

<table><tbody><tr><td>Różnicowe kalorymetry skaningowe Q100 (DSC)</td><td>TA Instruments, New Castle, DE, USA </td><td>n/A</td><td>Do obliczenia pojemności cieplnej można użyć dowolnego typu DSC z oprogramowaniem.</td></tr><tr><td>System napylania próżniowego SS30T&nbsp;</td><td>T-M Vacuum Products, Inc., Cinnaminson, NJ, USA</td><td>N/A</td><td>Dzięki niestandardowym częściom; do powlekania można użyć dowolnego rodzaju systemu napylania.</td></tr><tr><td>Piec próżniowy VWR 1415M VWR</td><td>International, Bridgeport, NJ, USA</td><td>N/A</td><td>Do fizycznego sieciowania próbek można użyć dowolnego typu pieca próżniowego.</td></tr></tbody></table>

projektowanie materiałów ze stopów białek jedwabiu i jedwabiu do zastosowań biomedycznych

Designing Silk-silk Protein Alloy Materials for Biomedical Applications

Białka włókniste mają różne sekwencje i struktury, które były wykorzystywane do różnych zastosowań w dziedzinach biomedycznych, takich jak biosensory, nanomedycyna, regeneracja tkanek i dostarczanie leków. Projektowanie materiałów w oparciu o interakcje między tymi białkami w skali molekularnej pomoże w stworzeniu nowych wielofunkcyjnych biomateriałów ze stopów białek o regulowanych właściwościach. Takie systemy materiałów stopowych zapewniają również zalety w porównaniu z tradycyjnymi polimerami syntetycznymi ze względu na biodegradowalność materiałów, biokompatybilność i trwałość w organizmie. W artykule wykorzystano mieszanki białkowe dzikiego jedwabiu tussah (Antheraea pernyi) i jedwabiu morwy domowej (Bombyx mori) jako przykład, aby dostarczyć użytecznych protokołów dotyczących tych tematów, w tym sposobu przewidywania interakcji białko-białko za pomocą metod obliczeniowych, jak wytwarzać roztwory stopów białkowych, jak weryfikować systemy stopowe za pomocą analizy termicznej oraz jak wytwarzać zmienne materiały stopowe, w tym materiały optyczne z siatkami dyfrakcyjnymi, materiały elektryczne z powłokami obwodów oraz materiały farmaceutyczne do uwalniania i dostarczania leków. Metody te mogą dostarczyć ważnych informacji do projektowania wielofunkcyjnych biomateriałów nowej generacji opartych na różnych stopach białek.

Typowe oddziaływania białko-białko (np. między białkiem A a białkiem B) mogą obejmować oddziaływania elektrostatyczne (ładunek-ładunek), tworzenie wiązań wodorowych, oddziaływania hydrofobowe i hydrofilowe, a także efekty dipolowe, rozpuszczalnika, przeciwjonów oraz efekty entropowe pomiędzy specyficznymi domenami dwóch białek (Rysunek 2)3. W związku z tym, w zasadzie możemy przewidzieć efekty tych oddziaływań za pomocą symulacji komputerowych.
<p class="jove_content" fo:keep-toge...

Mieszanie to efektywne podejście do generowania biomateriałów o szerokim zakresie właściwości i połączonych cechach. Przewidując interakcje molekularne między różnymi naturalnymi białkami jedwabiu, można zaprojektować nowe platformy ze stopów białek jedwabiu i jedwabiu o regulowanej odporności mechanicznej, reakcji elektrycznej, przezroczystości optycznej, przetwarzalności chemicznej, biodegradowalności lub stabilności termicznej.

Projektowanie materiałów ze stopów białek jedwabiu i jedwabiu do zastosowań biomedycznych

Fibrous proteins display different sequences and structures that have been used for various applications in biomedical fields such as biosensors, ...

Ogólnym celem niniejszej procedury jest zademonstrowanie sposobu wytwarzania różnych materiałów z wysokobiałkowych stopów za pomocą kompozytowych filmów jedwabnych z obwodami elektronicznymi. Jako przykład, proces ten polega na wstępnej regeneracji poszczególnych roztworów białek z kokonów dwóch różnych gatunków jedwabników.Drugim krokiem jest zmieszanie dwóch roztworów białek w różnych proporcjach w celu przygotowania serii roztworów mieszanin. Następnie, przy użyciu techniki wytwarzania cienkich warstw, tworzone są obwody elektroniczne na podłożach szklanych. Ostatnim etapem jest naniesienie roztworów mieszanin na podłoża szklane i przeniesienie obwodów elektronicznych na wysuszone białko.Filmy kompozytowe w porównaniu z tradycyjnymi syntetycznymi materiałami polimerowymi. Materiały białkowe mogą zapewniać lepszą biozgodność, biodegradowalność i trwałość w organizmie człowieka. Mieszanie białek w różnych proporcjach jest prostym podejściem technologicznym w celu wytworzenia materiałów stopowych o regulowanych właściwościach fizycznych, chemicznych lub biologicznych.Rozszerzenie tej techniki na wszczepialne systemy biomedyczne może umożliwić monitorowanie elektroniczne, usprawniając diagnostykę i terapię w leczeniu medycznym. Ponadto technika ta może zostać wykorzystana do opracowania urządzeń, które mogą zostać wchłonięte przez organizm po tym, jak przestaną być potrzebne. W tym filmie posłużymy się mieszankami białek dzikiego jedwabiu TOSA oraz jedwabiu morwy domowej jako przykładem, aby przedstawić przydatne protokoły dotyczące tego zagadnienia, w tym sposób przygotowania roztworów białkowych oraz wytwarzania materiałów z obwodami elektronicznymi.Główną zaletą naszej techniki powlekania obwodów w porównaniu z innymi metodami, takimi jak odparowywanie, jest fakt, że materiały białkowe nie są poddane działaniu wysokiej temperatury bezpośrednio ani poprzez promieniowanie podczas procesu powlekania. Aby rozpocząć tę procedurę, odetnij surowe, dzikie kokony jedwabników tssa o wadze 3 g. Napełnij dwulitrowy szklany becher wodą destylowaną, a następnie umieść szklany becher na grzejniku.Przykryj naczynie folią aluminiową i podgrzej do wrzenia. Zdejmij folię aluminiową i powoli dodaj trzy gramy wodorowęglanu sodu do wrzącej wody, dopóki całkowicie się nie rozpuści. Po całkowitym rozpuszczeniu wodorowęglanu sodu włóż kokony dzikiego jedwabiu do wrzącej wody i gotuj mieszaninę przez dwie do trzech godzin.Po zagotowaniu ostrożnie wyjmij włókna białkowe z roztworu za pomocą szpatułki i wyciśnij je, aby usunąć nadmiar wody. Następnie zanurz włókna w dwulitrowym zlewce z zimną wodą destylowaną i przemywaj je dwukrotnie przez 30 minut za każdym razem, aby całkowicie usunąć zanieczyszczone pozostałości z powierzchni włókien. Po przemyciu wysusz włókna w dygestorium przez co najmniej 12 godzin.Rozpuść 48,784 grama azotanu wapnia w szklanym naczyniu, aby uzyskać ciecz w temperaturze 65 °C służącą do rozpuszczania włókien białek dzikiego jedwabiu. Następnie połącz włókna z rozpuszczalnikiem w stosunku jednego grama włókna na 10 ml rozpuszczalnika. Po pozostawieniu włókien do rozpuszczenia w temperaturze 95 °C przez okres od pięciu do 12 godzin, przelej roztwór dzikiego jedwabiu do membrany dializacyjnej o pojemności 12 ml i przeprowadź dializę przeciwko dwóm litrom wody destylowanej.Często wymieniaj wodę destylowaną, aby usunąć z roztworu rozpuszczalniki azotanu wapnia. Po trzech dniach zbierz roztwory białek z kaset do dializy i przelej je do probówek przystosowanych do wirowania z prędkością 13 000 RPM. Następnie wiruj roztwory przez jedną godzinę przy 3 500 RPM w temperaturze czterech stopni Celsius.Po zakończeniu powtórzyć czynność trzykrotnie w celu usunięcia osadów. Przechowywać końcowe roztwory w lodówce w temperaturze 4 °C po zebraniu innego białka naturalnego, takiego jak jedwab z hodowlanego jedwabnika. Powtarzać powyższy proces z zastosowaniem odpowiedniego mydła i rozpuszczalnika aż do uzyskania końcowego wodnego roztworu białka o zmierzonej koncentracji.Następnie, za pomocą pipety, powoli wymieszaj jednoprocentowy (masowy) roztwór jedwabiu dzikiego z jednoprocentowym (masowym) roztworem jedwabiu udomowionego. Gotowy roztwór przechowuj w temperaturze 4 °C. Aby uniknąć agregacji białek, przed wytworzeniem wzoru obwodu elektrycznego na podłożu szklanym, najpierw oczyść szkiełko przedmiotowe za pomocą rozpuszczalnika odtłuszczającego, takiego jak hinox, w myjce ultradźwiękowej przez 5 minut. Następnie myj szkiełko przedmiotowe przez 5 minut w acetonie i 5 minut w metanolu.Osusz szkiełko przedmiotowe, przedmuchując je suchym azotem, generowanym przez odparowanie z 180 litrowego zbiornika z ciekłym azotem. Następnie wprowadź materiały podłoża do komory osadzania i wypompuj powietrze z śluzy do ciśnienia 30 mTorr. Potem otwórz zawór odcinający między śluzą a główną komorą osadzania i wprowadź podłoże do komory.Włącz dopływ argonu oraz regulator ciśnienia, a następnie ustaw ciśnienie na pożądanej wartości osadzania, aby usunąć warstwy tlenków i zanieczyszczenia z tarczy podczas wstępnego rozpylania przez kilka minut. Po otwarciu przysłony rozpyl metal na podłoże, stosując szybkość osadzania pozwalającą na uzyskanie pożądanej grubości. Po zakończeniu procesu rozpylania wyjmij powleczone szkiełko z komory.Używając wirówki, nanieś pozytywowy fotorezyst na powierzchnię filmu. Po naniesieniu fotorezystu na film, przeprowadź wygrzewanie wstępne w temperaturze 90 °C przez pięć minut, aby osuszyć warstwę. Po zakończeniu tego etapu, dociśnij mocno do fotorezystu maskę kontaktową z obrazem urządzenia.Naświetl fotorezyst źródłem światła UV o mocy 1000 W przez 10 sekund. Następnie umieść folię w wywoływaczu fotorezystu, aż pojawi się obraz. Natychmiast po pojawieniu się obrazu zanurz folię w wodzie dejonizowanej, aby zatrzymać działanie wywoływacza na nienaświetlonym fotorezyście.Następnie wysusz błonę strumieniem suchego azotu. Umieść błonę w piecu w temperaturze 120 °C przez 15 minut, aby przeprowadzić wypalanie fotorezystu. Po ostygnięciu błony umieść ją w roztworze trawiącym do momentu usunięcia metalu niechronionego przez fotorezyst.Zanurz folię w wodzie, aby zatrzymać proces trawienia. Następnie wypłucz folię acetonem, aby usunąć utwardzony fotorezyst, a potem wypłucz ją metanolem i osusz strumieniem suchego azotu.Gdy powlekone szkło będzie gotowe, nanieś na jego powierzchnię różne roztwory stopów białkowych. Używając pipety, pozostaw je do wyschnięcia na co najmniej 12 godzin w dygestorium, aby uzyskać filmy stopów białkowych na szkle. Następnie, za pomocą pęsety, odseparuj filmy stopów białkowych z cienkimi wzorami metalicznymi od podłoża szklanego. Aby uzyskać nierozpuszczalne materiały stopów białkowych, umieść suchy film w piecu próżniowym w temperaturze 60 °C przy ciśnieniu 25 kPa, z naczyniem z wodą na dnie komory.Odpompuj powietrze z pieca, aby pozwolić na odparowanie par wodnych ze wszystkich próbek przez co najmniej dwie godziny. Po zwolnieniu próżni i wyjęciu próbek z pieca, odklej za pomocą pęsety nierozpuszczalną w wodzie folię z podłoża. Na koniec zmierz rezystancję elektryczną wzoru metalicznego na foliach z alloy białkowego i porównaj ją z oryginalnym wzorem na szkle.Typowe oddziaływania białko-białko mogą obejmować przyciąganie elektrostatyczne, wiązania wodorowe, oddziaływania hydrofobowe i hydrofilowe, a także wpływ dipoli, rozpuszczalnika i przeciwjonów oraz efekty entropowe między specyficznymi domenami białek. Efekty tych oddziaływań można przewidzieć za pomocą symulacji komputerowych podczas symulacji rozciągania. Jedno białko może tworzyć elastyczną sieć przypominającą sprężyny, zapewniając materiałom superelastyczność, podczas gdy inne może pełnić rolę cząstek z silnymi fizycznymi sieciowaniami w obrębie materiałów.Dynamiczne przejścia strukturalne mogą być indukowane w różnych domenach w celu magazynowania i uwalniania energii lub zapewnienia dodatkowego wsparcia mechanicznego. Roztwory stopów białkowych mogą być formowane w różnorodne biomateriały o regulowanych właściwościach, w tym w matryce materiałowe do zastosowań termicznych, mechanicznych, optycznych, elektrycznych, chemicznych lub biomedycznych. W niniejszej demonstracji zmierzono rezystywność elektryczną w temperaturze pokojowej obwodów elektrycznych na filmach białkowych, stosując techniki dwupunktową oraz czteropunktową.W pomiarze dwuelektrodowym filmy wykazały rezystywność wynoszącą 3,6 × 10⁻⁷ Ω·m, co jest wartością około 20 razy większą niż w przypadku materiału litego. Wyższa rezystywność mierzona w filmach w porównaniu do materiału litego jest typowa ze względu na ograniczoną ścieżkę przepływu prądu oraz niemożność omijania defektów przez nośniki ładunku. Poprzez zmianę stosunku komponentów białkowych możemy kontrolować właściwości biofizyczne końcowych materiałów, takie jak ich elastyczność, wytrzymałość, chropowatość powierzchni lub ładunek powierzchniowy.Właściwości te będą miały ostateczny wpływ na funkcje i zachowanie tkanek przytwierdzonych do materiału. W związku z tym system stopów białkowych otwiera nową drogę do produkcji wszczepialnych urządzeń medycznych lub materiałów o regulowanych funkcjach w przyszłości. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dobrą wiedzę na temat sposobu wytwarzania obwodów na tych materiałach; mamy nadzieję, że protokoły przedstawione w artykule okażą się pomocne zarówno dla naukowców, jak i lekarzy klinicystów w wielu dziedzinach biomedycznych w przyszłości.

designing-silk-silk-protein-alloy-materials-for-biomedical

Research

JoVE Journal

Bioengineering

Bioinżynieria

Projektowanie materiałów stopowych z jedwabiu i białka jedwabiowego do zastosowań biomedycznych

Filmy jedwabne stanowią nową klasę biomateriałów, które można łatwo dostosować do szerokiego zakresu zastosowań biomedycznych. Przedstawiony system hodowli na filmach jedwabnych jest wysoce adaptowalny do różnorodnych analiz in vitro. System ten stanowi platformę projektowania biomateriałów, umożliwiającą optymalizację in vitro przed bezpośrednim przejściem do modeli in vivo.

System hodowli na filmach jedwabnych do analiz in vitro i projektowania biomateriałów

Pomimo wyjątkowych właściwości mechanicznych i biochemicznych jedwabiu pająków, materiał ten nie może być pozyskiwany w dużych ilościach metodami konwencjonalnymi. W niniejszej pracy opisujemy efektywną strategię przędzenia sztucznych włókien jedwabiu pająka, co stanowi istotny proces dla badaczy analizujących produkcję jedwabiu pająków oraz jego zastosowanie jako biomateriałów nowej generacji.

Produkcja syntetycznego jedwabiu pajęczego w skali laboratoryjnej

Włókna pajęczego jedwabiu wykazują niezwykłe właściwości mechaniczne. Zmodyfikowany Araneus diadematus Fibroin 4 (eADF4) może być przetwarzany na siatki włókninowe za pomocą elektroprzędzenia. W tym przypadku siatki włókninowe eADF4 są stosowane w celu poprawy wydajności urządzeń filtrujących powietrze.

Urządzenia filtrujące powietrze, w tym siatki włókninowe z elektroprzędzonych rekombinowanych białek jedwabiu pajęczego

Wgląd w złożone działania mózgu wymaga zaawansowanych narzędzi badawczych. Tutaj demonstrujemy nowatorski, oparty na jedwabnym kolagenie, zaprojektowany w 3D model tkanki nerwowej przypominający architekturę przypominającą mózg. Model może być wykorzystany do badania budowy sieci neuronalnej, prowadzenia aksonów, interakcji komórka-komórka i aktywności elektrycznej.

Zaprojektowany model 3D spolaryzowanej tkanki nerwowej oparty na jedwabiu

Bioaktywne i mechanicznie niezawodne rusztowania metalowe zostały wyprodukowane metodą składającą się z dwóch procesów, dynamicznego odlewania zamrażalnego w celu wytworzenia porowatego Ti oraz powlekania i zagęszczenia rusztowań Ti. Proces zagęszczania jest prosty, skuteczny i ma zastosowanie do wytwarzania rusztowań o stopniu funkcjonalnym.

Produkcja mechanicznie przestrajalnych i bioaktywnych rusztowań metalowych do zastosowań biomedycznych

Nanocząsteczki stają się obiecującymi systemami dostarczania leków dla szerokiego zakresu wskazań. Tutaj opisujemy prostą, ale potężną metodę wytwarzania nanocząstek jedwabiu przy użyciu odwróconego jedwabiu Bombyx mori. Te nanocząstki jedwabiu można łatwo załadować ładunkiem terapeutycznym, a następnie zbadać pod kątem zastosowań związanych z dostarczaniem leków.

Produkcja i dostarczanie leków Zastosowania nanocząstek jedwabiu

Przedstawiono protokół mikroprzepływowego przędzenia i charakterystyki mikrostruktury regenerowanego jedwabnego włókna fibroinowego.

Mikroprzepływowe przędzenie na sucho i charakterystyka regenerowanych włókien fibroiny jedwabiu

Tutaj prezentujemy metodę dostarczania wektorów ekspresji wirusa do mózgu za pomocą jedwabnych folii fibroinowych. Ta metoda pozwala na ukierunkowane dostarczanie wektorów ekspresyjnych za pomocą światłowodów pokrytych jedwabiem/AAV, światłowodów stożkowych i okien czaszkowych.

In vivo (in vivo) Ukierunkowana ekspresja białek optogenetycznych za pomocą folii jedwabiu/AAV

Wkładki do hodowli tkankowych z plastikowymi membranami są złotym standardem w laboratoriach hodowli komórkowych jako przepuszczalne nośniki do tworzenia warstw komórkowych i modeli tkanek barierowych. W niniejszym artykule przedstawiamy prostą metodę zastąpienia plastikowej membrany bardziej biologicznie istotną membraną wykonaną z rekombinowanego funkcjonalizowanego białka pajęczej nici.

Nanowłóknista błona podstawna naśladująca wykonana z rekombinowanej, funkcjonalizowanej nici pajęczej w niestandardowych wkładkach do hodowli tkankowych

Origami DNA to potężna metoda wytwarzania precyzyjnych obiektów w nanoskali poprzez programowanie samoorganizacji cząsteczek DNA. Tutaj opisujemy, w jaki sposób origami DNA można wykorzystać do zaprojektowania robota zdolnego do wyczuwania sygnałów biologicznych i reagowania poprzez zmianę kształtu, a następnie przekazywanego do pożądanego efektu.

Projektowanie bioresponsywnego robota z DNA Origami

Poznaj metodę wytwarzania stopów białkowych z jedwabiu do zastosowań biomedycznych. Procedura obejmuje regenerację roztworów białkowych z kokonów jedwabników, mieszanie ich w różnych proporcjach oraz integrację z obwodami elektronicznymi.

Projektowanie materiałów ze stopów białek jedwabiu i jedwabiu do zastosowań biomedycznych

Przeglądaj więcej filmów