1: Обзор биоматериалов

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.