生物材料概述

Bioengineering
 

Summary

生物材料是为了与生物体或分子良性互动而设计的。这些材料可以由生物体产生或生产, 甚至可以是合成聚合物。工程师使用这些新材料在广泛的应用领域, 如组织工程, 传感和药物传递。

该视频介绍了常见的生物衍生材料, 并提供了用于处理它们的常用技术的示例。讨论了该领域的主要挑战, 以及这些方法的几个应用。

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JoVE Science Education Database. 生物工程. 生物材料概述. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

由于生物衍生材料提供了人造材料所不能获得的关键特性, 生物学正被用于应对工程挑战。生物衍生的物质, 有时被称为生物材料, 是由生活或曾经活着的有机体创造的。这些材料最近得到了普及, 因为它们是生物相容的, 可以作为基质, 可以为生物分子和细胞。该视频将介绍几种生物衍生材料, 并介绍该领域的共同技术和挑战。

在生物工程研究中, 有许多生物衍生的聚合物, 或聚合物。首先, 胶原蛋白是一种广泛使用的蛋白质聚合物, 通常来源于牛的皮肤, 肌腱和骨骼, 甚至老鼠的尾巴。胶原纤维具有三重螺旋结构, 使材料的强度和刚度。由于这种特性, 胶原蛋白通常被用作工程组织结构的组成部分, 特别是在骨骼和皮肤上, 如人工组织。另一种常见的蛋白质聚合物是丝蛾幼虫的茧。这种蛋白质的二级结构具有巨大的晶体区域的β片, 使高强度和灵活性。与胶原蛋白一样, 蚕丝通常被用作人工组织的结构成分, 通常在皮肤和肌肉等弹性组织中使用。然而, 丝绸也被铸造作为光学设备和电子设备基体的薄膜。壳聚糖, 另一种生物, 是从甲壳类贝壳中提取的多糖, 如螃蟹或龙虾。聚合物的溶解度是 pH 值的基础。这使得对制造过程的简单控制通过增加 pH 值来固化材料。壳聚糖常用于创面愈合过程中, 通过创建与再生组织相容的膜。

现在让我们来看看一些用于操作这些生物材料的突出方法。首先, 生物材料通常被浇铸成一个水凝胶, 以建立一个高度亲水性的结构, 增加生物相容性。水凝胶是一种具有高含水量的固体状聚合物网络, 通常用作人工组织中的组织结构。用胶原蛋白做水凝胶, 首先在水溶液中加热聚合物, 如生长介质, 然后在模子中浇铸溶液。然后, 溶液冷却至固态。紫外交联也可用于改善凝胶的稳定性, 通过共价键连接在聚合物链上的残留物。另外, 通过将聚合物溶液滴加入交联溶液, 可以形成水凝胶珠。然后用这些珠子来稳定蛋白质中的细胞。生物材料也可用于通过静电纺丝形成纤维毡。这种技术是通过在收集器表面和含有生物溶液的注射器尖端之间施加电场来完成的。这诱导形成的微型纤维, 然后创建结构, 模仿细胞外基质的组织。另外, 可以通过电沉积制备生物材料薄膜。为此, 一种电位被应用于含有生物材料溶液的两个电极细胞。生物材料迁移到在表面形成薄膜的电极之一。这些薄膜可以用来使表面生物相容, 例如, 稳定表面组装酶的细胞。在这种情况下, 壳聚糖薄膜稳定的酶葡萄糖氧化酶。此外, 生物材料通常是在表面上浇铸成薄膜的溶液。该溶液先掉到基材上然后晾干, 除去所有溶剂。利用溶液的体积和浓度来控制薄膜的厚度。

生物材料虽然在生物工程中得到了广泛的应用, 但它们的使用存在着内在的挑战。首先, 生物材料具有天然的性质, 受其来源和分子结构的支配。虽然这些材料可以用于广泛的应用领域, 但修改它们的固有属性可能会很困难。此外, 对材料的处理改变了它们的性质, 有时是以不利的方式。生物材料来源于天然来源, 可以根据生物种类和季节等环境因素而变化。这会导致批处理批次的可变性, 从而导致最终应用程序的细微差异。最后, 大多数生物材料都是水溶性的, 从而限制了它们的稳定性。由于一些应用要求材料是永久性的, 交联或稳定的技术可能需要延长其寿命。然而, 这可能会导致不必要的变化的机械性能。

生物衍生材料用于生物工程研究的广泛应用。首先, 生物材料经常被用于药物交付应用, 因为它们通常是可生物降解的。例如, 水凝胶提供了一种能容纳敏感药物分子的生物相容基质。它们以可预测的速率降解, 这取决于材料的性质从而使药物的控制释放。生物材料已广泛应用于医学, 特别是丝绸缝合和以壳聚糖为基础的绷带和粘合剂的伤口愈合。在本例中, 用医用诊断染料制备了壳聚糖外科粘合剂膜。他们后来被融合在切割组织, 以关闭伤口作为替代缝合。生物材料领域的一个不断发展的领域, 处理蛋白质和其他分子, 如 DNA 在这种情况下, 作为高分子材料。为此, dna 链设计了一个特定的序列, 将 dna 链的精确折叠诱导成复杂的结构和模式, 称为 dna 折纸。这些结构可以用来创建功能性的程序集, 能够感知生物的线索, 改变形状, 或释放嵌入分子。

你刚刚看了朱庇特的生物衍生材料概述。你现在应该了解一些常见的生物材料的起源和性质, 在实验室中使用的一些技术来处理它们, 以及一些与它们的使用相关的挑战。谢谢收看

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