Биология в настоящее время используется для решения инженерных задач, поскольку биологически полученные материалы обладают ключевыми свойствами, которых не могут обладать искусственные материалы. Материалы, полученные из биоматериалов, иногда называемые биоматериалами, создаются из живых или когда-то живых организмов. Эти материалы приобрели популярность в последнее время, поскольку они биосовместимы и могут выступать в качестве матриц, в которых могут размещаться биомолекулы и клетки. В этом видео мы познакомимся с несколькими материалами, полученными из биотехнологии, и познакомят с общими методами и проблемами в этой области.
Существует множество биологически полученных полимеров, или биополимеров, используемых в биоинженерных исследованиях. Во-первых, коллаген является широко используемым белковым полимером, обычно получаемым из бычьей кожи, сухожилий, костей и даже крысиных хвостов. Коллагеновые волокна обладают тройной спиральной структурой, которая придает материалу прочность и жесткость. Из-за этого свойства коллаген часто используется в качестве структурного компонента инженерных тканевых конструкций, особенно в костях и коже, таких как искусственные ткани. Другим распространенным белковым полимером является шелк, который получают из кокона личинок шелкопряда. Вторичная структура этого белка имеет обширные кристаллические области бета-листов, обеспечивающие высокую прочность и гибкость. Как и коллаген, шелк часто используется в качестве структурного компонента искусственных тканей, как правило, в гибких тканях, таких как кожа и мышцы. Тем не менее, шелк также отливают в виде тонкой пленки для оптических устройств, а также для подложек электрических устройств. Хитозан, еще один биополимер, представляет собой полисахарид, получаемый из панцирей ракообразных, таких как крабы или омары. Растворимость полимера основана на pH. Это позволяет легко управлять производственными процессами за счет увеличения pH для затвердевания материала. Хитозан часто используется при заживлении ран путем создания пленки, биосовместимой с регенерирующими тканями.
Теперь давайте рассмотрим некоторые известные методы, используемые для манипулирования этими биоматериалами. Во-первых, биоматериалы часто отливают в виде гидрогеля для создания высокогидрофильной структуры с повышенной биосовместимостью. Гидрогель представляет собой твердую полимерную сетку с высоким содержанием воды и часто используется в качестве тканевой конструкции в искусственных тканях. Чтобы сделать гидрогель с коллагеном, сначала нагрейте полимер в водном растворе, как питательную среду, а затем отлите раствор в форму. Затем раствор охлаждают до застывания. УФ-сшивание также может быть использовано для улучшения стабильности геля путем ковалентного связывания остатков на полимерных цепях. В качестве альтернативы гидрогелевые шарики могут быть получены путем добавления полимерного раствора по каплям к сшивающему раствору. Затем шарики используются для стабилизации клеток в белках. Биоматериалы также могут быть использованы для формирования волокнистых матов с помощью электропрядения. Этот метод выполняется путем подачи электрического поля между поверхностью коллектора и наконечником шприца, содержащего биополимерный раствор. Это вызывает образование микроволокон, которые затем создают структуры, имитирующие внеклеточный матрикс в ткани. В качестве альтернативы тонкие пленки биоматериала могут быть получены с помощью электроосаждения. Для этого потенциал подается на двухэлектродную ячейку, содержащую раствор биоматериала. Биоматериал мигрирует на один из электродов, образуя на поверхности тонкую пленку. Эти тонкие пленки могут быть использованы для того, чтобы сделать поверхность биосовместимой, например, для стабилизации поверхностно собранных ферментов в клетках. В этом случае тонкая пленка хитозана стабилизирует фермент глюкозооксидазу. Кроме того, биоматериалы часто отлиты раствором на поверхность с образованием тонкой пленки. Раствор сначала капают на подложку, а затем высушивают, чтобы удалить весь растворитель. Толщина пленки контролируется с помощью объема и концентрации раствора.
Несмотря на то, что биоматериалы широко используются в биоинженерии, существуют неотъемлемые проблемы, связанные с их использованием. Во-первых, биоматериалы обладают природными свойствами, которые регулируются их источником и молекулярной структурой. Несмотря на то, что эти материалы могут быть использованы для широкого спектра применений, изменение присущих им свойств может быть сопряжено с трудностями. Кроме того, обработка материала изменяет их свойства, иногда неблагоприятным образом. Биоматериалы получают из природных источников, которые могут варьироваться в зависимости от вида организма и факторов окружающей среды, таких как сезон. Это может привести к вариативности от партии к партии, что приведет к небольшим различиям в конечном внесении. Наконец, большинство биоматериалов растворимы в воде, что ограничивает их стабильность. Поскольку в некоторых областях применения требуется, чтобы материал был постоянным, для продления срока их службы могут потребоваться методы сшивания или стабилизации. Однако это может привести к нежелательным изменениям механических свойств.
Биологически полученные материалы используются в широком спектре применений в биоинженерных исследованиях. Во-первых, биоматериалы часто используются для доставки лекарств, поскольку они, как правило, биоразлагаемы и биосовместимы. Например, гидрогели предлагают биосовместимую матрицу, способную удерживать чувствительные молекулы лекарств. Они разлагаются с предсказуемой скоростью в зависимости от свойств материала, что позволяет контролировать высвобождение лекарства. Биоматериалы широко используются в медицине, в частности, в шелковых швах и в бинтах и адгезивах на основе хитозана для заживления ран. В данном примере хирургические адгезивные пленки хитозана были получены с помощью медицинского диагностического красителя. Позже они были склеены через разрезанную ткань, чтобы закрыть рану в качестве альтернативы швам. Развивающаяся область биоматериалов рассматривает белки и другие биомолекулы, в данном случае ДНК, как полимерные материалы. Для этого нити ДНК конструируются с определенной последовательностью, которая вызывает точное сворачивание нити ДНК в сложные структуры и узоры, называемые ДНК-оригами. Эти структуры затем могут быть использованы для создания функциональных сборок, способных воспринимать биологические сигналы, изменять форму или высвобождать встроенные биомолекулы.
Вы только что посмотрели обзор материалов биологического происхождения от JoVE. Теперь вы должны понять происхождение и свойства нескольких распространенных биоматериалов, некоторые методы, используемые в лаборатории для их обработки, и некоторые проблемы, связанные с их использованием. Спасибо за просмотр.
Биоматериалы — это материалы, спроектированные таким образом, чтобы благоприятно взаимодействовать с биологическими организмами или молекулами. Эти ма…
Биология в настоящее время используется для решения инженерных задач, поскольку биологически полученные материалы обладают ключевыми свойствами, которых не могут обладать искусственные материалы. Материалы, полученные из биоматериалов, иногда называемые биоматериалами, создаются из живых или когда-то живых организмов. Эти материалы приобрели популярность в последнее время, поскольку они биосовместимы и могут выступать в качестве матриц, в которых могут размещаться биомолекулы и клетки. В этом видео мы познакомимся с несколькими материалами, полученными из биотехнологии, и познакомят с общими методами и проблемами в этой области.
Существует множество биологически полученных полимеров, или биополимеров, используемых в биоинженерных исследованиях. Во-первых, коллаген является широко используемым белковым полимером, обычно получаемым из бычьей кожи, сухожилий, костей и даже крысиных хвостов. Коллагеновые волокна обладают тройной спиральной структурой, которая придает материалу прочность и жесткость. Из-за этого свойства коллаген часто используется в качестве структурного компонента инженерных тканевых конструкций, особенно в костях и коже, таких как искусственные ткани. Другим распространенным белковым полимером является шелк, который получают из кокона личинок шелкопряда. Вторичная структура этого белка имеет обширные кристаллические области бета-листов, обеспечивающие высокую прочность и гибкость. Как и коллаген, шелк часто используется в качестве структурного компонента искусственных тканей, как правило, в гибких тканях, таких как кожа и мышцы. Тем не менее, шелк также отливают в виде тонкой пленки для оптических устройств, а также для подложек электрических устройств. Хитозан, еще один биополимер, представляет собой полисахарид, получаемый из панцирей ракообразных, таких как крабы или омары. Растворимость полимера основана на pH. Это позволяет легко управлять производственными процессами за счет увеличения pH для затвердевания материала. Хитозан часто используется при заживлении ран путем создания пленки, биосовместимой с регенерирующими тканями.
Теперь давайте рассмотрим некоторые известные методы, используемые для манипулирования этими биоматериалами. Во-первых, биоматериалы часто отливают в виде гидрогеля для создания высокогидрофильной структуры с повышенной биосовместимостью. Гидрогель представляет собой твердую полимерную сетку с высоким содержанием воды и часто используется в качестве тканевой конструкции в искусственных тканях. Чтобы сделать гидрогель с коллагеном, сначала нагрейте полимер в водном растворе, как питательную среду, а затем отлите раствор в форму. Затем раствор охлаждают до застывания. УФ-сшивание также может быть использовано для улучшения стабильности геля путем ковалентного связывания остатков на полимерных цепях. В качестве альтернативы гидрогелевые шарики могут быть получены путем добавления полимерного раствора по каплям к сшивающему раствору. Затем шарики используются для стабилизации клеток в белках. Биоматериалы также могут быть использованы для формирования волокнистых матов с помощью электропрядения. Этот метод выполняется путем подачи электрического поля между поверхностью коллектора и наконечником шприца, содержащего биополимерный раствор. Это вызывает образование микроволокон, которые затем создают структуры, имитирующие внеклеточный матрикс в ткани. В качестве альтернативы тонкие пленки биоматериала могут быть получены с помощью электроосаждения. Для этого потенциал подается на двухэлектродную ячейку, содержащую раствор биоматериала. Биоматериал мигрирует на один из электродов, образуя на поверхности тонкую пленку. Эти тонкие пленки могут быть использованы для того, чтобы сделать поверхность биосовместимой, например, для стабилизации поверхностно собранных ферментов в клетках. В этом случае тонкая пленка хитозана стабилизирует фермент глюкозооксидазу. Кроме того, биоматериалы часто отлиты раствором на поверхность с образованием тонкой пленки. Раствор сначала капают на подложку, а затем высушивают, чтобы удалить весь растворитель. Толщина пленки контролируется с помощью объема и концентрации раствора.
Несмотря на то, что биоматериалы широко используются в биоинженерии, существуют неотъемлемые проблемы, связанные с их использованием. Во-первых, биоматериалы обладают природными свойствами, которые регулируются их источником и молекулярной структурой. Несмотря на то, что эти материалы могут быть использованы для широкого спектра применений, изменение присущих им свойств может быть сопряжено с трудностями. Кроме того, обработка материала изменяет их свойства, иногда неблагоприятным образом. Биоматериалы получают из природных источников, которые могут варьироваться в зависимости от вида организма и факторов окружающей среды, таких как сезон. Это может привести к вариативности от партии к партии, что приведет к небольшим различиям в конечном внесении. Наконец, большинство биоматериалов растворимы в воде, что ограничивает их стабильность. Поскольку в некоторых областях применения требуется, чтобы материал был постоянным, для продления срока их службы могут потребоваться методы сшивания или стабилизации. Однако это может привести к нежелательным изменениям механических свойств.
Биологически полученные материалы используются в широком спектре применений в биоинженерных исследованиях. Во-первых, биоматериалы часто используются для доставки лекарств, поскольку они, как правило, биоразлагаемы и биосовместимы. Например, гидрогели предлагают биосовместимую матрицу, способную удерживать чувствительные молекулы лекарств. Они разлагаются с предсказуемой скоростью в зависимости от свойств материала, что позволяет контролировать высвобождение лекарства. Биоматериалы широко используются в медицине, в частности, в шелковых швах и в бинтах и адгезивах на основе хитозана для заживления ран. В данном примере хирургические адгезивные пленки хитозана были получены с помощью медицинского диагностического красителя. Позже они были склеены через разрезанную ткань, чтобы закрыть рану в качестве альтернативы швам. Развивающаяся область биоматериалов рассматривает белки и другие биомолекулы, в данном случае ДНК, как полимерные материалы. Для этого нити ДНК конструируются с определенной последовательностью, которая вызывает точное сворачивание нити ДНК в сложные структуры и узоры, называемые ДНК-оригами. Эти структуры затем могут быть использованы для создания функциональных сборок, способных воспринимать биологические сигналы, изменять форму или высвобождать встроенные биомолекулы.
Вы только что посмотрели обзор материалов биологического происхождения от JoVE. Теперь вы должны понять происхождение и свойства нескольких распространенных биоматериалов, некоторые методы, используемые в лаборатории для их обработки, и некоторые проблемы, связанные с их использованием. Спасибо за просмотр.
Биология в настоящее время используется для решения инженерных задач, поскольку биологически полученные материалы обладают ключевыми свойствами, которых не могут обладать искусственные материалы. Материалы, полученные из биоматериалов, иногда называемые биоматериалами, создаются из живых или когда-то живых организмов. Эти материалы приобрели популярность в последнее время, поскольку они биосовместимы и могут выступать в качестве матриц, в которых могут размещаться биомолекулы и клетки. В этом видео мы познакомимся с несколькими материалами, полученными из биотехнологии, и познакомят с общими методами и проблемами в этой области.
Существует множество биологически полученных полимеров, или биополимеров, используемых в биоинженерных исследованиях. Во-первых, коллаген является широко используемым белковым полимером, обычно получаемым из бычьей кожи, сухожилий, костей и даже крысиных хвостов. Коллагеновые волокна обладают тройной спиральной структурой, которая придает материалу прочность и жесткость. Из-за этого свойства коллаген часто используется в качестве структурного компонента инженерных тканевых конструкций, особенно в костях и коже, таких как искусственные ткани. Другим распространенным белковым полимером является шелк, который получают из кокона личинок шелкопряда. Вторичная структура этого белка имеет обширные кристаллические области бета-листов, обеспечивающие высокую прочность и гибкость. Как и коллаген, шелк часто используется в качестве структурного компонента искусственных тканей, как правило, в гибких тканях, таких как кожа и мышцы. Тем не менее, шелк также отливают в виде тонкой пленки для оптических устройств, а также для подложек электрических устройств. Хитозан, еще один биополимер, представляет собой полисахарид, получаемый из панцирей ракообразных, таких как крабы или омары. Растворимость полимера основана на pH. Это позволяет легко управлять производственными процессами за счет увеличения pH для затвердевания материала. Хитозан часто используется при заживлении ран путем создания пленки, биосовместимой с регенерирующими тканями.
Теперь давайте рассмотрим некоторые известные методы, используемые для манипулирования этими биоматериалами. Во-первых, биоматериалы часто отливают в виде гидрогеля для создания высокогидрофильной структуры с повышенной биосовместимостью. Гидрогель представляет собой твердую полимерную сетку с высоким содержанием воды и часто используется в качестве тканевой конструкции в искусственных тканях. Чтобы сделать гидрогель с коллагеном, сначала нагрейте полимер в водном растворе, как питательную среду, а затем отлите раствор в форму. Затем раствор охлаждают до застывания. УФ-сшивание также может быть использовано для улучшения стабильности геля путем ковалентного связывания остатков на полимерных цепях. В качестве альтернативы гидрогелевые шарики могут быть получены путем добавления полимерного раствора по каплям к сшивающему раствору. Затем шарики используются для стабилизации клеток в белках. Биоматериалы также могут быть использованы для формирования волокнистых матов с помощью электропрядения. Этот метод выполняется путем подачи электрического поля между поверхностью коллектора и наконечником шприца, содержащего биополимерный раствор. Это вызывает образование микроволокон, которые затем создают структуры, имитирующие внеклеточный матрикс в ткани. В качестве альтернативы тонкие пленки биоматериала могут быть получены с помощью электроосаждения. Для этого потенциал подается на двухэлектродную ячейку, содержащую раствор биоматериала. Биоматериал мигрирует на один из электродов, образуя на поверхности тонкую пленку. Эти тонкие пленки могут быть использованы для того, чтобы сделать поверхность биосовместимой, например, для стабилизации поверхностно собранных ферментов в клетках. В этом случае тонкая пленка хитозана стабилизирует фермент глюкозооксидазу. Кроме того, биоматериалы часто отлиты раствором на поверхность с образованием тонкой пленки. Раствор сначала капают на подложку, а затем высушивают, чтобы удалить весь растворитель. Толщина пленки контролируется с помощью объема и концентрации раствора.
Несмотря на то, что биоматериалы широко используются в биоинженерии, существуют неотъемлемые проблемы, связанные с их использованием. Во-первых, биоматериалы обладают природными свойствами, которые регулируются их источником и молекулярной структурой. Несмотря на то, что эти материалы могут быть использованы для широкого спектра применений, изменение присущих им свойств может быть сопряжено с трудностями. Кроме того, обработка материала изменяет их свойства, иногда неблагоприятным образом. Биоматериалы получают из природных источников, которые могут варьироваться в зависимости от вида организма и факторов окружающей среды, таких как сезон. Это может привести к вариативности от партии к партии, что приведет к небольшим различиям в конечном внесении. Наконец, большинство биоматериалов растворимы в воде, что ограничивает их стабильность. Поскольку в некоторых областях применения требуется, чтобы материал был постоянным, для продления срока их службы могут потребоваться методы сшивания или стабилизации. Однако это может привести к нежелательным изменениям механических свойств.
Биологически полученные материалы используются в широком спектре применений в биоинженерных исследованиях. Во-первых, биоматериалы часто используются для доставки лекарств, поскольку они, как правило, биоразлагаемы и биосовместимы. Например, гидрогели предлагают биосовместимую матрицу, способную удерживать чувствительные молекулы лекарств. Они разлагаются с предсказуемой скоростью в зависимости от свойств материала, что позволяет контролировать высвобождение лекарства. Биоматериалы широко используются в медицине, в частности, в шелковых швах и в бинтах и адгезивах на основе хитозана для заживления ран. В данном примере хирургические адгезивные пленки хитозана были получены с помощью медицинского диагностического красителя. Позже они были склеены через разрезанную ткань, чтобы закрыть рану в качестве альтернативы швам. Развивающаяся область биоматериалов рассматривает белки и другие биомолекулы, в данном случае ДНК, как полимерные материалы. Для этого нити ДНК конструируются с определенной последовательностью, которая вызывает точное сворачивание нити ДНК в сложные структуры и узоры, называемые ДНК-оригами. Эти структуры затем могут быть использованы для создания функциональных сборок, способных воспринимать биологические сигналы, изменять форму или высвобождать встроенные биомолекулы.
Вы только что посмотрели обзор материалов биологического происхождения от JoVE. Теперь вы должны понять происхождение и свойства нескольких распространенных биоматериалов, некоторые методы, используемые в лаборатории для их обработки, и некоторые проблемы, связанные с их использованием. Спасибо за просмотр.
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.
Chapters in this video
0:07
Overview
0:43
Common Biomaterials
2:23
Prominent Methods
4:36
Key Challenges
5:48
Applications
7:20
Summary
Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. All rights reserved