1.1: Biyomalzemelere Genel Bakış

Biyoloji artık mühendislik zorluklarını karşılamak için kullanılıyor, çünkü biyolojik olarak türetilmiş malzemeler, insan yapımı malzemelerin sunamayacağı temel özellikleri sunuyor. Bazen biyomalzemeler olarak da adlandırılan biyo-türevli malzemeler, canlı veya bir zamanlar canlı organizmalardan oluşturulur. Bu malzemeler, biyouyumlu oldukları ve biyomolekülleri ve hücreleri barındırabilen matrisler olarak işlev görebildikleri için son zamanlarda popülerlik kazanmıştır. Bu video, biyo-türetilmiş birkaç materyali tanıtacak ve bu alandaki yaygın teknikleri ve zorlukları tanıtacaktır.

Biyomühendislik araştırmalarında kullanılan birçok biyolojik olarak türetilmiş polimer veya biyopolimer vardır. İlk olarak, kolajen tipik olarak sığır derisi, tendon ve kemik ve hatta sıçan kuyruklarından elde edilen yaygın olarak kullanılan bir protein polimeridir. Kollajen lifleri, malzemeye mukavemet ve sertlik kazandıran üçlü sarmal bir yapıya sahiptir. Bu özelliğinden dolayı, kollajen genellikle yapay doku gibi kemik ve deride mühendislik doku yapılarının yapısal bir bileşeni olarak kullanılır. Diğer bir yaygın protein polimeri, ipek güvesi larvalarının kozasından elde edilen ipektir. Bu proteinin ikincil yapısı, yüksek mukavemet ve esneklik sağlayan geniş kristal beta tabaka bölgelerine sahiptir. Kollajende olduğu gibi, ipek genellikle yapay dokunun yapısal bileşeni olarak, tipik olarak cilt ve kas gibi esnek dokularda kullanılır. Bununla birlikte, ipek, optik cihazlar ve elektrikli cihaz alt tabakaları için ince bir film olarak da dökülür. Başka bir biyopolimer olan kitosan, yengeç veya ıstakoz gibi kabuklu deniz hayvanlarının kabuklarından elde edilen polisakkarittir. Polimerin çözünürlüğü pH bazlıdır. Bu, malzemeyi katılaştırmak için pH'ı artırarak üretim süreçlerinin basit bir şekilde kontrol edilmesini sağlar. Kitosan genellikle yenilenen doku ile biyouyumlu bir film oluşturarak yara iyileşmesinde kullanılır.

Şimdi bu biyomalzemeleri manipüle etmek için kullanılan bazı önemli yöntemlere bir göz atalım. İlk olarak, biyomalzemeler genellikle artan biyouyumluluğa sahip yüksek hidrofilik bir yapı oluşturmak için bir hidrojel olarak dökülür. Bir hidrojel, yüksek su içeriğine sahip katı benzeri bir polimer ağıdır ve genellikle yapay dokuda bir doku yapısı olarak kullanılır. Kollajenli bir hidrojel yapmak için, önce polimeri büyüme ortamı gibi sulu bir çözelti içinde ısıtın ve ardından çözeltiyi bir kalıba atın. Çözelti daha sonra katılaşana kadar soğutulur. UV çapraz bağlama, polimer zincirleri üzerindeki kalıntıları kovalent olarak bağlayarak jelin stabilitesini artırmak için de kullanılabilir. Alternatif olarak, polimer çözeltisinin bir çapraz bağlama çözeltisine damla damla eklenmesiyle hidrojel boncuklar oluşturulabilir. Boncuklar daha sonra proteinlerdeki hücreleri stabilize etmek için kullanılır. Biyomalzemeler ayrıca elektrospinning yoluyla lifli matlar oluşturmak için de kullanılabilir. Bu teknik, bir kollektör yüzeyi ile biyopolimer çözeltisi içeren bir şırınganın ucu arasına bir elektrik alanı uygulanarak gerçekleştirilir. Bu, daha sonra dokudaki hücre dışı matrisi taklit eden yapılar oluşturan mikro ölçekli liflerin oluşumunu indükler. Alternatif olarak, elektrodepozisyon yoluyla biyomateryal ince filmler hazırlanabilir. Bunun için, biyomateryal çözeltisini içeren iki elektrotlu bir hücreye bir potansiyel uygulanır. Biyomateryal, yüzeyde ince bir film oluşturan elektrotlardan birine göç eder. Bu ince filmler, örneğin hücrelerde yüzeye monte edilmiş enzimleri stabilize etmek için bir yüzey biyouyumlu hale getirmek için kullanılabilir. Bu durumda, bir kitosan ince filmi, glikoz oksidaz enzimini stabilize eder. Ek olarak, biyomalzemeler genellikle ince bir film oluşturmak için bir yüzeye çözelti ile dökülür. Çözelti önce bir alt tabakaya damlatılır, ardından tüm çözücüyü çıkarmak için kurutulur. Film kalınlığı, çözeltinin hacmi ve konsantrasyonu kullanılarak kontrol edilir.

Biyomalzemeler biyomühendislikte yaygın olarak kullanılsa da, kullanımlarıyla ilgili doğal zorluklar vardır. Birincisi, biyomalzemeler, kaynakları ve moleküler yapıları tarafından yönetilen doğal özelliklere sahiptir. Bu malzemeler çok çeşitli uygulamalar için kullanılabilse de, doğal özelliklerini değiştirmek zor olabilir. Ek olarak, malzemenin işlenmesi, özelliklerini bazen olumsuz bir şekilde değiştirir. Biyomalzemeler, organizma türüne ve mevsim gibi çevresel faktörlere bağlı olarak değişebilen doğal kaynaklardan elde edilir. Bu, son uygulamada küçük farklılıklara neden olan partiden partiye değişkenliğe neden olabilir. Son olarak, çoğu biyomalzeme suda çözünür ve bu nedenle stabilitelerini sınırlar. Bazı uygulamalar malzemenin kalıcı olmasını gerektirdiğinden, ömürlerini uzatmak için çapraz bağlama veya stabilize etme teknikleri gerekebilir. Ancak bu, mekanik özelliklerde istenmeyen değişikliklere neden olabilir.

Biyolojik olarak türetilmiş malzemeler, biyomühendislik araştırmalarında çok çeşitli uygulamalarda kullanılmaktadır. İlk olarak, biyomalzemeler tipik olarak biyolojik olarak parçalanabilir ve biyouyumlu oldukları için ilaç dağıtım uygulamalarında sıklıkla kullanılır. Örneğin, hidrojeller, hassas ilaç moleküllerini tutabilen biyouyumlu bir matris sunar. Malzemenin özelliklerine bağlı olarak öngörülebilir bir oranda bozunurlar, böylece bir ilacın kontrollü salınımını sağlarlar. Biyomalzemeler tıpta, özellikle ipek sütürlerde ve yara iyileşmesi için kitosan bazlı bandajlar ve yapıştırıcılarla yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu örnekte, tıbbi tanı boyası ile kitosan cerrahi yapışkan filmler hazırlanmıştır. Daha sonra dikişlere alternatif olarak yarayı kapatmak için kesilen doku boyunca kaynaştırıldılar. Biyomalzeme alanının gelişen bir alanı, proteinleri ve bu durumda DNA gibi diğer biyomolekülleri polimer malzemeler olarak ele alır. Bunun için DNA zincirleri, DNA zincirinin DNA origami adı verilen karmaşık yapılara ve desenlere hassas bir şekilde katlanmasını indükleyen belirli bir dizi ile tasarlanmıştır. Bu yapılar daha sonra biyolojik ipuçlarını algılayabilen, şekli değiştirebilen veya gömülü biyomolekülleri serbest bırakabilen fonksiyonel düzenekler oluşturmak için kullanılabilir.

Az önce JoVE'nin biyolojik olarak türetilmiş materyallere genel bakışını izlediniz. Artık birkaç yaygın biyomalzemenin kökenlerini ve özelliklerini, bunları işlemek için laboratuvarda kullanılan bazı teknikleri ve kullanımlarıyla ilgili bazı zorlukları anlamalısınız. İzlediğiniz için teşekkürler.