Übersicht von Biomaterialien

Bioengineering
 

Summary

Biomaterialien sind Materialien entwickelt, um günstig mit biologischen Organismen oder Molekülen interagieren. Diese Materialien können abgeleitet werden oder vom Organismus hergestellt oder können sogar eine synthetisierte Polymer. Ingenieure nutzen diese neuartigen Materialien in einer Vielzahl von Anwendungen, z. B. Gewebe Engineering, Biosensoren und Drug Delivery.

Dieses Video führt gemeinsame biologisch abgeleitete Materialien und enthält Beispiele für gängige Techniken verwendet, um sie zu verarbeiten. Schlüssel werden Herausforderungen im Bereich zusammen mit mehreren Anwendungen dieser Methoden diskutiert.

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JoVE Science Education Database. Bioengineering. Übersicht von Biomaterialien. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

Biologie wird nun zu technische Herausforderungen zu begegnen, wie biologisch abgeleitete Materialien bieten Schlüsseleigenschaften, die künstliche Materialien nicht verwendet. Bio-abgeleiteten Materialien, manchmal genannt Biomaterialien, entstehen von Leben oder einmal lebende Organismen. Diese Materialien haben Popularität vor kurzem, wie sie biokompatibel sind und fungieren als Matrizen, die Biomoleküle und Zellen aufnehmen können. Dieses Video stellen mehrere Bio-abgeleitete Materialien und gemeinsame Techniken und Herausforderungen im Bereich einzuführen.

Es gibt viele biologisch abgeleiteten Polymeren oder Biopolymere, in der Biotechnologie Forschung verwendet. Kollagen ist ein weit verbreitetes Protein Polymer in der Regel aus bovine Haut, Sehnen und Knochen und sogar Rattenschwänze abgeleitet. Kollagenfasern besitzen eine Dreifachhelix-Struktur, die die Festigkeit und Steifigkeit verleiht. Aufgrund dieser Eigenschaft wird Kollagen oft als eine strukturelle Komponente des technischen Gewebe Konstrukte vor allem in Knochen und Haut wie künstliches Gewebe verwendet. Eine weitere gemeinsame Protein Polymer ist Seide, die aus dem Kokon der Silk Motten Larven abgeleitet ist. Die Sekundärstruktur des Proteins hat riesige kristalline Bereiche der Beta-Blätter ermöglichen hohe Festigkeit und Flexibilität. Als dient Seide mit Kollagen, oft als der strukturellen Komponente des künstliches Gewebe, in der Regel in flexiblen Gewebe wie Haut und Muskulatur. Seide ist jedoch auch als dünner Film für optische Geräte sowie Elektrogerät Substrate geworfen. Chitosan, ein weiterer Biopolymer ist das Polysaccharid aus Krustentierschalen wie Krabben oder Hummer abgeleitet. Das Polymer Löslichkeit ist pH-Basis. Dies ermöglicht die einfache Steuerung der Fertigungsprozesse durch die Erhöhung des pH-Wertes um das Material zu festigen. Chitosan wird häufig verwendet, bei der Wundheilung durch Schaffung eines Films, das mit regenerierenden Gewebes biokompatibel ist.

Jetzt lassen Sie uns nehmen einen Blick auf einige prominente Methoden verwendet, um diese Biomaterialien zu manipulieren. Biomaterialien sind zunächst häufig als ein Hydrogel, eine hoch hydrophile Struktur mit erhöhten Biokompatibilität geworfen. Ein Hydrogel ist ein fest-wie Polymernetzwerk mit hohem Wassergehalt und dient oft als Gewebe Konstrukt in künstlichem Gewebe. Um ein Hydrogel mit Kollagen zu machen, zuerst das Polymer in einer wässrigen Lösung wie Wachstumsmedien, erhitzen und dann die Lösung in eine Form gegossen. Die Lösung wird anschließend bis Solid gekühlt. UV-Vernetzung kann auch verwendet werden, zur Verbesserung der Stabilität des Gels durch die Verknüpfung von kovalent Rückstände auf der Polymerketten. Alternativ können Hydrogel Perlen gebildet werden, indem die Polymerlösung tropfenweise zu einer Vernetzung-Lösung. Die Perlen werden dann verwendet, um Zellen in den Proteinen zu stabilisieren. Biomaterialien können auch verwendet werden, um faserige Matten über Elektrospinnen zu bilden. Diese Technik erfolgt durch Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen einer Kollektorfläche und die Spitze eine Spritze mit Biopolymer-Lösung. Dies induziert die Bildung von Mikro-Fasern, die dann Strukturen zu schaffen, die die extrazelluläre Matrix im Gewebe zu imitieren. Alternativ können Biomaterial Dünnfilme über Galvanisierung vorbereitet werden. Hierzu wird ein Potenzial auf eine zwei Elektroden Zelle mit der Biomaterial-Lösung angewendet. Das Biomaterial wandert auf eine der Elektroden bilden einen dünnen Film auf der Oberfläche. Diese dünnen Schichten können verwendet werden, um eine Oberfläche biokompatible machen, z. B. zur Stabilisierung der Oberfläche montiert Enzyme in den Zellen. In diesem Fall stabilisiert eine Dünnschicht von Chitosan das Enzym Glukose-Oxidase. Biomaterialien sind darüber hinaus oft Lösung gegossen auf einer Arbeitsfläche zu einen dünnen Film bilden. Die Lösung wird zunächst auf einem Substrat abgelegt und dann getrocknet, um alle Lösungsmittel zu entfernen. Die Schichtdicke erfolgt über das Volumen und die Konzentration der Lösung.

Obwohl Biomaterialien in Bioingenieurwesen weit verbreitet sind, gibt es Herausforderungen, die mit ihrer Verwendung verbundenen. Erstens besitzen Biomaterialien natürliche Eigenschaften, die von ihrer Quelle und molekulare Struktur geregelt werden. Während diese Materialien für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt werden können, kann es schwierig sein, ihre inhärenten Eigenschaften ändern. Darüber hinaus verändert Verarbeitung des Materials ihre Eigenschaften manchmal in einer nachteiligen Weise. Biomaterialien stammen aus natürlichen Quellen kann unterschiedlich sein, abhängig vom Organismus Arten und Umweltfaktoren wie Saison. Dadurch können Variabilität von Charge zu Charge, die kleinen Unterschiede in der Endanwendung verursacht. Schließlich sind die meisten Biomaterialien wasserlöslich so begrenzen ihre Stabilität. Da bei einigen Anwendungen das Material dauerhaft sein muss, Vernetzung oder stabilisierende Techniken müssen um ihre Lebensdauer zu verlängern. Jedoch kann dies unerwünschte Änderungen an den mechanischen Eigenschaften führen.

In einer Vielzahl von Anwendungen in der Biotechnologie-Forschung werden biologisch abgeleitete Materialien verwendet. Biomaterialien sind erstens häufig in Droge Lieferung Anwendungen eingesetzt, da sie in der Regel biologisch abbaubar und biokompatibel sind. Zum Beispiel bieten Hydrogele eine biokompatible Matrix in der Lage, sensible Wirkstoffmoleküle zu halten. Sie bauen mit einer vorhersagbaren Rate abhängig von den Eigenschaften des Materials ermöglicht die kontrollierte Freisetzung eines Medikaments. Biomaterialien haben ausgiebig in der Medizin, speziell mit seidenen Fäden und Chitosan-basierte Bandagen und Klebstoffe zur Wundheilung eingesetzt. In diesem Beispiel wurden chirurgische Klebefolien Chitosan mit einer medizinischen Diagnose Färbung vorbereitet. Sie wurden später in geschnittenen Gewebe um die Wunde zu schließen, als Alternative zu Fäden verschmolzen. Ein sich entwickelnde Bereich des Feldes Biomaterialien behandelt Proteine und andere Biomoleküle wie DNA in diesem Fall als Polymer-Materialien. Hierzu sollen DNA-Stränge mit einer bestimmten Reihenfolge die induziert, die präzise Faltung des DNA-Stranges in komplexen Strukturen und Mustern DNA Origami genannt. Diese Strukturen können dann verwendet werden, um biologische Signale spüren, verformen sich oder lassen Sie eingebettete Biomoleküle können funktionale Baugruppen zu erstellen.

Sie habe nur Jupiters Überblick über biologisch abgeleiteten Materialien beobachtet. Sie sollten jetzt die Ursprünge und die Eigenschaften von mehreren gemeinsamen Biomaterialien, einige Techniken, die im Labor verwendet werden, um sie zu verarbeiten und einige Herausforderungen, die mit ihrer Verwendung verbundenen verstehen. Danke fürs Zuschauen.

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