1: Przegląd biomateriałów

Biologia jest obecnie wykorzystywana do sprostania wyzwaniom inżynieryjnym, ponieważ materiały pochodzenia biologicznego oferują kluczowe właściwości, których nie mogą uzyskać materiały wytworzone przez człowieka. Materiały pochodzenia biologicznego, czasami nazywane biomateriałami, są tworzone z żywych lub niegdyś żywych organizmów. Materiały te zyskały ostatnio na popularności, ponieważ są biokompatybilne i mogą działać jako matryce, które mogą pomieścić biomolekuły i komórki. W tym filmie przedstawimy kilka materiałów pochodzenia biologicznego oraz przedstawimy typowe techniki i wyzwania w tej dziedzinie.

Istnieje wiele polimerów pochodzenia biologicznego lub biopolimerów stosowanych w badaniach bioinżynieryjnych. Po pierwsze, kolagen jest szeroko stosowanym polimerem białkowym zwykle pochodzącym ze skóry bydła, ścięgien i kości, a nawet ogonów szczurów. Włókna kolagenowe mają strukturę potrójnej helisy, która nadaje materiałowi wytrzymałość i sztywność. Ze względu na tę właściwość kolagen jest często stosowany jako składnik strukturalny konstruktów tkanek inżynieryjnych, zwłaszcza w kościach i skórze, takich jak sztuczne tkanki. Innym powszechnym polimerem białkowym jest jedwab, który pochodzi z kokonu larw ćmy jedwabnej. Drugorzędowa struktura tego białka ma rozległe krystaliczne obszary arkuszy beta, co zapewnia wysoką wytrzymałość i elastyczność. Podobnie jak w przypadku kolagenu, jedwab jest często używany jako składnik strukturalny sztucznej tkanki, zwykle w elastycznych tkankach, takich jak skóra i mięśnie. Jednak jedwab jest również odlewany jako cienka folia do urządzeń optycznych, a także podłoży urządzeń elektrycznych. Chitozan, inny biopolimer, to polisacharyd pochodzący z muszli skorupiaków, takich jak kraby lub homary. Rozpuszczalność polimeru zależy od pH. Umożliwia to prostą kontrolę procesów produkcyjnych poprzez zwiększenie pH w celu zestalenia materiału. Chitozan jest często stosowany w gojeniu się ran poprzez tworzenie filmu, który jest biokompatybilny z regenerującą się tkanką.

Przyjrzyjmy się teraz kilku najważniejszym metodom używanym do manipulowania tymi biomateriałami. Po pierwsze, biomateriały są często odlewane jako hydrożel, aby stworzyć wysoce hydrofilową strukturę o zwiększonej biokompatybilności. Hydrożel to przypominająca ciało stałe sieć polimerowa o dużej zawartości wody i jest często stosowana jako konstrukt tkankowy w sztucznej tkance. Aby zrobić hydrożel z kolagenem, najpierw podgrzej polimer w roztworze wodnym, takim jak pożywka wzrostowa, a następnie odlej roztwór do formy. Roztwór jest następnie schładzany do momentu zestalenia. Sieciowanie UV może być również stosowane w celu poprawy stabilności żelu poprzez kowalencyjne łączenie pozostałości na łańcuchach polimerowych. Alternatywnie, kulki hydrożelowe można formować, dodając roztwór polimeru kroplami do roztworu sieciującego. Koraliki są następnie wykorzystywane do stabilizacji komórek w białkach. Biomateriały mogą być również wykorzystywane do formowania mat włóknistych za pomocą elektroprzędzenia. Technika ta polega na przyłożeniu pola elektrycznego między powierzchnię kolektora a końcówkę strzykawki zawierającej roztwór biopolimeru. Indukuje to tworzenie się włókien w mikroskali, które następnie tworzą struktury naśladujące macierz zewnątrzkomórkową w tkance. Alternatywnie, cienkie warstwy biomateriału można przygotować za pomocą elektroosadzania. W tym celu potencjał jest przykładany do ogniwa dwuelektrodowego zawierającego roztwór biomateriału. Biomateriał migruje do jednej z elektrod, tworząc cienką warstwę na powierzchni. Te cienkie warstwy mogą być wykorzystane do biokompatybilności powierzchni, na przykład do stabilizacji enzymów składanych na powierzchni w komórkach. W tym przypadku cienka warstwa chitozanu stabilizuje enzym oksydazę glukozową. Ponadto biomateriały są często odlewane w roztworze na powierzchnię w celu utworzenia cienkiej warstwy. Roztwór najpierw upuszcza się na podłoże, a następnie suszy w celu usunięcia całego rozpuszczalnika. Grubość filmu jest kontrolowana za pomocą objętości i stężenia roztworu.

Chociaż biomateriały są szeroko stosowane w bioinżynierii, istnieją nieodłączne wyzwania związane z ich stosowaniem. Po pierwsze, biomateriały posiadają naturalne właściwości, które są regulowane przez ich źródło i strukturę molekularną. Chociaż materiały te można wykorzystać do szerokiego zakresu zastosowań, modyfikacja ich nieodłącznych właściwości może być trudna. Ponadto obróbka materiału zmienia ich właściwości, czasami w niekorzystny sposób. Biomateriały pochodzą ze źródeł naturalnych, które mogą się różnić w zależności od gatunku organizmu i czynników środowiskowych, takich jak pora roku. Może to powodować zmienność między partiami, która powoduje niewielkie różnice w końcowej aplikacji. Wreszcie, większość biomateriałów jest rozpuszczalna w wodzie, co ogranicza ich stabilność. Ponieważ niektóre zastosowania wymagają, aby materiał był trwały, mogą być wymagane techniki sieciowania lub stabilizacji w celu przedłużenia ich żywotności. Może to jednak spowodować niepożądane zmiany właściwości mechanicznych.

Materiały pochodzenia biologicznego są wykorzystywane w szerokim zakresie zastosowań w badaniach bioinżynieryjnych. Po pierwsze, biomateriały są często wykorzystywane w zastosowaniach związanych z dostarczaniem leków, ponieważ są zazwyczaj biodegradowalne i biokompatybilne. Na przykład hydrożele oferują biokompatybilną matrycę zdolną do przechowywania wrażliwych cząsteczek leków. Rozkładają się one w przewidywalnym tempie w zależności od właściwości materiału, umożliwiając w ten sposób kontrolowane uwalnianie leku. Biomateriały są szeroko stosowane w medycynie, w szczególności w szwach jedwabnych oraz bandażach i klejach na bazie chitozanu do gojenia ran. W tym przykładzie chirurgiczne folie adhezyjne z chitozanu zostały przygotowane z medycznym barwnikiem diagnostycznym. Później zostały one połączone z przeciętą tkanką, aby zamknąć ranę jako alternatywa dla szwów. Rozwijająca się dziedzina biomateriałów traktuje białka i inne biomolekuły, takie jak w tym przypadku DNA, jako materiały polimerowe. W tym celu nici DNA są projektowane ze specyficzną sekwencją, która indukuje precyzyjne składanie nici DNA w złożone struktury i wzory zwane origami DNA. Struktury te można następnie wykorzystać do tworzenia funkcjonalnych zespołów zdolnych do wyczuwania sygnałów biologicznych, zmiany kształtu lub uwalniania osadzonych biomolekuł.

Właśnie obejrzałeś przegląd materiałów pochodzenia biologicznego JoVE. Powinieneś teraz zrozumieć pochodzenie i właściwości kilku popularnych biomateriałów, niektóre techniki stosowane w laboratorium do ich przetwarzania oraz niektóre wyzwania związane z ich stosowaniem. Dzięki za oglądanie.