Summary
ביו-חומרים הם חומרים שתוכננו לקיים אינטראקציה חיובית עם אורגניזמים ביולוגיים או מולקולות. חומרים אלה יכולים להיגזר או מיוצרים על ידי אורגניזם, או אפילו יכול להיות פולימר מסונתז. מהנדסים משתמשים בחומרים חדשניים אלה במגוון רחב של יישומים, כגון הנדסת רקמות, ביוס-חשים ואספקת תרופות.
וידאו זה מציג חומרים נפוצים שמקורם ביולוגית, ומספק דוגמאות לטכניקות נפוצות המשמשות לעיבודם. אתגרים מרכזיים בתחום נדונים, יחד עם מספר יישומים של שיטות אלה.
Overview
ביו-חומרים הם חומרים שתוכננו לקיים אינטראקציה חיובית עם אורגניזמים ביולוגיים או מולקולות. חומרים אלה יכולים להיגזר או מיוצרים על ידי אורגניזם, או אפילו יכול להיות פולימר מסונתז. מהנדסים משתמשים בחומרים חדשניים אלה במגוון רחב של יישומים, כגון הנדסת רקמות, ביוס-חשים ואספקת תרופות.
וידאו זה מציג חומרים נפוצים שמקורם ביולוגית, ומספק דוגמאות לטכניקות נפוצות המשמשות לעיבודם. אתגרים מרכזיים בתחום נדונים, יחד עם מספר יישומים של שיטות אלה.
Procedure
ביולוגיה משמשת כיום כדי לענות על אתגרים הנדסיים כמו חומרים נגזר ביולוגית להציע תכונות מפתח כי חומרים מעשה ידי אדם לא יכול. חומרים ביו נגזרים, המכונים לעתים ביו-חומרים, נוצרים מאורגניזמים חיים או פעם חיים. חומרים אלה צברו פופולריות לאחרונה כפי שהם תואמים ביולוגית והוא יכול לשמש מטריצות שיכולות לשכן biomolecules ותאים. וידאו זה יציג מספר חומרים ביו נגזר ולהציג טכניקות ואתגרים נפוצים בתחום.
ישנם פולימרים רבים שמקורם ביולוגית, או ביופולימרים, המשמשים במחקר ביו-הנדסה. ראשית, קולגן הוא פולימר חלבון בשימוש נרחב המופק בדרך כלל מעור בקר, גיד ועצמות ואפילו זנבות חולדה. סיבי קולגן בעלי מבנה סליל משולש המעניק את הכוח החומרי והנוקשות. בגלל מאפיין זה, קולגן משמש לעתים קרובות כמרכיב מבני של מבנים רקמה מהונדסת במיוחד בעצם ובעור כמו רקמה מלאכותית. פולימר חלבון נפוץ נוסף הוא משי שמקורו בפקעת של זחלי עש משי. המבנה המשני של חלבון זה כולל אזורים גבישיים עצומים של יריעות בטא המאפשרות חוזק וגמישות גבוהים. כמו עם קולגן, משי משמש לעתים קרובות כמרכיב המבני של רקמות מלאכותיות, בדרך כלל ברקמה גמישה כמו עור ושרירים. עם זאת, משי הוא גם יצוק כמו סרט דק עבור מכשירים אופטיים, כמו גם מצעים מכשיר חשמלי. צ'יטוסאן, ביופולימר נוסף, הוא הפוליסכריד המופק מקליפות סרטנים כמו סרטנים או לובסטרים. המסיסות של הפולימר מבוססת pH. זה מאפשר שליטה פשוטה של תהליכי ייצור על ידי הגדלת ה- pH כדי לחזק את החומר. Chitosan משמש לעתים קרובות ריפוי פצעים על ידי יצירת סרט כי הוא biocompatible עם רקמות מתחדשות.
עכשיו בואו נסתכל על כמה שיטות בולטות המשמשות לתפעל את הביו-חומרים האלה. ראשית, ביו-חומרים מלוהק לעתים קרובות כהידרוג'ל כדי ליצור מבנה הידרופילי מאוד עם תאימות ביולוגית מוגברת. הידרוג'ל היא רשת פולימרים מוצקה עם תכולת מים גבוהה ומשמשת לעתים קרובות כמבנה רקמה ברקמה מלאכותית. כדי להפוך הידרוג'ל עם קולגן, תחילה לחמם את הפולימר בתמיסה מימית, כמו מדיה צמיחה, ולאחר מכן להטיל את הפתרון בתבנית. לאחר מכן הפתרון מקורר עד מוצק. חיבור UV יכול לשמש גם כדי לשפר את היציבות של הג'ל על ידי קישור covalently שאריות על שרשראות הפולימר. לחלופין, חרוזים הידרוג'ל ניתן ליצור על ידי הוספת פתרון פולימר dropwise לפתרון crosslinking. החרוזים משמשים לאחר מכן לייצוב תאים בחלבונים. ביו-חומרים יכולים לשמש גם ליצירת מחצלות סיביות באמצעות אלקטרוספין. טכניקה זו מבוצעת על ידי יישום שדה חשמלי בין משטח אספן לקצה מזרק המכיל פתרון ביופולימרי. זה יוצר היווצרות של סיבים microscale אשר לאחר מכן ליצור מבנים המחקים את המטריצה חוץ תאית ברקמה. לחלופין, ניתן להכין סרטים דקים ביו-חומריים באמצעות אלקטרודות. בשביל זה, פוטנציאל מוחל על תא אלקטרודה שני המכיל את הפתרון biomaterial. הביו-חומרים נודדים לאחת האלקטרודות ויוצרות סרט דק על פני השטח. סרטים דקים אלה יכולים לשמש כדי להפוך את פני השטח biocompatible, למשל, כדי לייצב אנזימים מורכבים פני השטח בתאים. במקרה זה, סרט דק chitosan מייצב את האנזים גלוקוז אוקסידאז. בנוסף, ביו-חומרים הם לעתים קרובות פתרון יצוק על משטח כדי ליצור סרט דק. הפתרון הוא ירד תחילה על מצע ולאחר מכן מיובש כדי להסיר את כל הממס. עובי הסרט נשלט באמצעות נפח וריכוז הפתרון.
למרות ביו-חומרים נמצאים בשימוש נרחב ביו-הנדסה, ישנם אתגרים אינהרנטיים הקשורים לשימוש בהם. ראשית, ביו-חומרים הם בעלי תכונות טבעיות הנשלטות על ידי המקור והמבנה המולקולרי שלהם. בעוד חומרים אלה ניתן לרתום עבור מגוון רחב של יישומים, שינוי המאפיינים הטבועים שלהם יכול להיות קשה. בנוסף, עיבוד החומר משנה את תכונותיהם, לפעמים בצורה שלילית. ביו-חומרים נגזרים ממקורות טבעיים שיכולים להשתנות בהתאם למינים האורגניזמים ולגורמים סביבתיים כמו העונה. הדבר עלול לגרום לשינוייות אצווה לאצווה הגורמת להבדלים קטנים ביישום הסופי. לבסוף, רוב הביו-חומרים מסיסים במים ובכך מגבילים את יציבותם. מאחר שיישומים מסוימים דורשים שהחומר יהיה קבוע, ייתכן שיידרשו טכניקות הצלבה או ייצוב כדי להאריך את חייהם. עם זאת, זה יכול לגרום לשינויים לא רצויים בתכונות המכניות.
חומרים המופקים ביולוגית משמשים במגוון רחב של יישומים במחקר הנדסה ביולוגית. ראשית, ביו-חומרים משמשים לעתים קרובות ביישומי אספקת תרופות שכן הם בדרך כלל מתכלים ו biocompatible. לדוגמה, הידרוג'לים מציעים מטריצה ביו-תואמת המסוגלת להכיל מולקולות תרופות רגישות. הם מתפרקים בקצב צפוי בהתאם למאפיינים של החומר ובכך מאפשרים שחרור מבוקר של תרופה. ביו-חומרים שימשו בהרחבה ברפואה, במיוחד עם תפרי משי ועם תחבושות ודבקים מבוססי צ'יטואסן לריפוי פצעים. בדוגמה זו, סרטי דבק כירורגי chitosan הוכנו עם צבע אבחון רפואי. מאוחר יותר הם הותכו על פני רקמה חתוכה כדי לסגור את הפצע כחלופה לתפרים. אזור מתפתח של שדה הביו-חומרים מטפל בחלבונים וביומולקולים אחרים, כגון DNA במקרה זה, כחומרים פולימריים. בשביל זה, גדילי DNA מתוכננים עם רצף מסוים אשר גורם קיפול מדויק של גדיל ה- DNA למבנים ודפוסים מורכבים הנקראים אוריגמי DNA. לאחר מכן ניתן להשתמש במבנים אלה כדי ליצור מכלולים פונקציונליים המסוגלים לחוש רמזים ביולוגיים, לשנות צורה או לשחרר ביומולקולים מוטבעים.
הרגע צפית בסקירה של ג'וב על חומרים שמקורם ביולוגית. עכשיו אתה צריך להבין את המקורות והמאפיינים של כמה ביו-חומרים נפוצים, כמה טכניקות המשמשות במעבדה כדי לעבד אותם, וכמה אתגרים הקשורים לשימוש בהם. תודה שצפיתם.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
לא הוכרזו ניגודי אינטרסים.
