Биомиметический материал - Biomimetic material

Биомиметические материалы материалы разработаны с использованием вдохновение от природы. Это может быть полезно при разработке композитные материалы. Природные структуры вдохновляли и обновляли человеческие творения.[1] Известные примеры этих природных структур включают: сотовую структуру улья, прочность паучьего шелка, механику полета птиц и акулья кожа водоотталкивающие свойства.[2] Этимологические корни неологизма (новый термин) биомиметик происходит от греческого, так как биос означает "жизнь" и миметикос означает "подражательный",

Тканевая инженерия

Биомиметические материалы в тканевой инженерии - это материалы, которые были разработаны таким образом, чтобы вызывать определенные клеточные реакции, опосредованные взаимодействиями с привязанными к каркасу. пептиды из внеклеточный матрикс (ECM) белки; по существу, включение клеточно-связывающих пептидов в биоматериалы посредством химической или физической модификации.[3] Аминокислоты расположенные внутри пептидов используются в качестве строительных блоков другими биологическими структурами. Эти пептиды часто называют "самособирающиеся пептиды ", поскольку они могут быть модифицированы, чтобы содержать биологически активные мотивы. Это позволяет им воспроизводить информацию, полученную из ткани, и воспроизводить ту же информацию независимо. Таким образом, эти пептиды действуют как строительные блоки, способные выполнять множество биохимических действий, включая тканевую инженерию.[4] Исследования тканевой инженерии, проводимые в настоящее время как для короткоцепочечных, так и для длинноцепочечных пептидов, все еще находятся на начальной стадии.

Такие пептиды включают как естественные длинные цепи белков ЕСМ, так и короткие пептидные последовательности, полученные из интактных белков ЕСМ. Идея состоит в том, что биомиметический материал имитирует некоторые роли, которые ECM играет в нервная ткань. В дополнение к стимулированию клеточного роста и мобилизации включенные пептиды также могут опосредовать специфические протеаза ферменты или инициируют клеточные ответы, отсутствующие в местной нативной ткани.[3]

Вначале длинные цепи белков ЕСМ, включая фибронектин (FN), витронектин (VN), и ламинин (LN), но совсем недавно были обнаружены преимущества использования коротких пептидов. Короткие пептиды более предпочтительны, потому что, в отличие от длинных цепей, которые случайным образом складываются при адсорбции, вызывая активную белковые домены быть стерически недоступны, короткие пептиды остаются стабильными и не скрывают рецепторное связывание домены при адсорбции. Еще одно преимущество коротких пептидов заключается в том, что их можно более экономично воспроизводить из-за меньшего размера. Бифункциональный сшивающий агент с длинным спейсером используется для связывания пептидов с субстрат поверхность. Если функциональная группа недоступен для присоединения сшивающего агента, фотохимический может использоваться иммобилизация.[3]

Помимо модификации поверхности, биоматериалы можно модифицировать в больших объемах, что означает, что клеточная сигнализация пептиды и сайты узнавания присутствуют не только на поверхности, но и по всей массе материала. Сила прикрепления клеток, скорость миграции клеток и степень цитоскелет формирование организации определяется связыванием рецептора с лиганд привязан к материалу; таким образом, сродство рецептор-лиганд, плотность лиганда и пространственное распределение лиганда должны быть тщательно рассмотрены при разработке биомиметического материала.[3]

Биомиметическая минерализация

Белки развивающегося внеклеточного матрикса эмали (например, Амелогенин ) контролировать начальное отложение минералов (зарождение ) и последующий рост кристаллов, в конечном итоге определяющий физико-механические свойства зрелой минерализованной ткани. Нуклеаторы объединяют ионы минералов из окружающих жидкостей (например, слюны) в форму структуры кристаллической решетки, стабилизируя небольшие ядра, чтобы обеспечить рост кристаллов, образуя минеральную ткань.[5] Мутации в белках ЕСМ эмали приводят к дефектам эмали, таким как несовершенный амелогенез. Коллаген I типа считается, что он играет аналогичную роль в формировании дентина и кости.[6][7]

Минеральная зубная эмаль (а также дентин и кость) сделан из гидроксилапатит с инородными ионами, включенными в структуру. Карбонат, фторид, и магний являются наиболее распространенными гетероионными заместителями.[8]

В стратегии биомиметической минерализации на основе нормальной эмали гистогенез формируется трехмерный каркас для притяжения и упорядочивания ионов кальция и / или фосфата, чтобы вызвать осаждение de novo гидроксилапатита.[9]

Были применены две общие стратегии. Один из них - использование в качестве основы фрагментов, которые, как известно, поддерживают белки естественной минерализации, такие как амелогенин, коллаген или дентин-фосфофорин.[10] В качестве альтернативы, макромолекулярные структуры de novo были разработаны для поддержки минерализации не на основе природных молекул, а на основе рационального дизайна. Одним из примеров является олигопептид P11-4.[11]

В стоматологической ортопедии и имплантатах более традиционной стратегией улучшения плотности нижней челюстной кости является использование на месте применение кальций-фосфатных материалов. Обычно используемые материалы включают гидроксилапатит, трикальцийфосфат, и кальций-фосфатный цемент.[12] Новее биоактивные очки следуйте этой линии стратегии, где добавленный силикон обеспечивает важный бонус к локальному усвоению кальция.[13]

Белки внеклеточного матрикса

Многие исследования используют ламинин-1 при разработке биомиметического материала. Ламинин является компонентом внеклеточного матрикса, который может способствовать прикреплению и дифференцировке нейронов в дополнение к аксон руководство по росту. Его основным функциональным участком биоактивности является его основной белковый домен. изолейцин -лизин -валин -аланин -валин (IKVAV), который находится в цепи α-1 ламинина.[14]

В недавнем исследовании Wu, Zheng et al. Было синтезировано самоорганизующееся нановолокно пептида IKVAV и протестировано его влияние на адгезию нейроноподобных волокон. pc12 ячеек. Ранняя адгезия клеток очень важна для предотвращения дегенерации клеток; чем дольше клетки находятся в суспензии в культуре, тем больше вероятность их дегенерации. Целью было разработать биоматериал с хорошей адгезией клеток и биоактивностью с IKVAV, который способен ингибировать дифференциация и адгезия глиальных клеток в дополнение к стимулированию нейронального клеточная адгезия и дифференциация.[14] Пептидный домен IKVAV находится на поверхности нановолокон, так что он открыт и доступен для стимуляции контактных взаимодействий с клетками. Нановолокна IKVAV способствовали более сильной адгезии клеток, чем электростатическое притяжение, вызванное поли-L-лизин, а адгезия клеток увеличивалась с увеличением плотности IKVAV до достижения точки насыщения. IKVAV не проявляет зависящих от времени эффектов, поскольку было показано, что соблюдение режима лечения было одинаковым через 1 час и через 3 часа.[14]

Известно, что ламинин стимулирует нейрит нарост, и он играет роль в развивающейся нервной системе. Известно, что градиенты имеют решающее значение для руководства шишки к их тканям-мишеням в развивающихся нервная система. Было проведено много исследований растворимых градиентов; однако мало внимания уделяется градиентам веществ, связанных с субстратом внеклеточного матрикса, таких как ламинин.[15] Додла и Белламконда изготовили анизотропный трехмерный агарозный гель с градиентами связанного ламинина-1 (LN-1). Было показано, что градиенты концентрации LN-1 способствуют более быстрому расширению нейритов, чем самая высокая скорость роста нейритов, наблюдаемая при изотропных концентрациях LN-1. Нейриты росли как вверх, так и вниз по градиентам, но рост происходил быстрее на менее крутых градиентах и ​​быстрее вверх по градиентам, чем вниз по градиентам.[15]

Биомиметические искусственные мышцы

Электроактивные полимеры (EAP) также известны как искусственные мышцы. EAP - это полимерные материалы, которые способны вызывать большую деформацию при приложении в электрическом поле. Это обеспечивает большой потенциал в приложениях в области биотехнологии и робототехники, датчиков и исполнительных механизмов.[16]

Биомиметические фотонные структуры

Основная статья: Биологическая фотоника

Создание структурных цветов касается большого количества организмов. От бактерий (Флавобактерии штамм IR1)[17] многоклеточным организмам, (Гибискус трионум,[18] Doryteuthis pealeii (Кальмар),[19] или же Chrysochroa fulgidissima (жук)[20]), манипуляции со светом не ограничиваются редкими и экзотическими формами жизни. Различные организмы выработали разные механизмы для создания структурных цветов: многослойная кутикула у некоторых насекомых.[20] и растения,[21] решетчатая поверхность в растениях,[18] геометрически организованные клетки у бактерий ... все эти темы служат источником вдохновения для разработки структурно окрашенных материалов. Исследование брюшной полости светлячка выявило наличие трехслойной системы, включающей кутикулу, фотогеничный слой и затем отражатель. слой. При микроскопии отражающего слоя обнаружена гранулированная структура. Искусственная гранулированная пленка, состоящая из полых шариков диоксида кремния размером около 1,05 мкм, была напрямую вдохновлена ​​слоем отражателя от огненной мухи, и ее можно было использовать для улучшения светового излучения в хемилюминесцентный системы.[22]

Искусственный фермент

Искусственные ферменты представляют собой синтетические материалы, которые могут имитировать (частично) функцию природного фермента, не обязательно являясь белком. Среди них некоторые наноматериалы были использованы для имитации природных ферментов. Эти наноматериалы называются нанозимами. Нанозимы, как и другие искусственные ферменты, нашли широкое применение, от биодатчиков и иммуноанализов до роста стволовых клеток и удаления загрязняющих веществ.[23]

Рекомендации

  1. ^ Дизайн материалов, вдохновленный природой, Редакторы: Питер Фратцл, Джон Данлоп, Ричард Вейнкамер, Королевское химическое общество, Кембридж, 2013 г., https://pubs.rsc.org/en/content/ebook/978-1-84973-755-5
  2. ^ «7 удивительных примеров биомимикрии». Получено 28 июля 2014.
  3. ^ а б c d Шин, Х., С. Джо и А.Г. Микос, Биомиметические материалы для тканевой инженерии. Биоматериалы, 2003. 24: с. 4353-5364.
  4. ^ Кавалли, Сильвия (2009). «Амфифильные пептиды и их междисциплинарная роль в качестве строительных блоков для нанонауки» (PDF). Обзоры химического общества. 39 (1): 241–263. Дои:10.1039 / b906701a. PMID  20023851. Архивировано из оригинал (PDF) 4 октября 2013 г.. Получено 3 октября 2013.
  5. ^ Симмер, Дж. П. и Финчем, А. Г. (1995). «Молекулярные механизмы формирования зубной эмали». Критические обзоры в оральной биологии и медицине. 6 (2): 84–108. Дои:10.1177/10454411950060020701. PMID  7548623.
  6. ^ Wright, J. T .; Hart, P. S .; и другие. (2003). «Взаимосвязь фенотипа и генотипа в X-сцепленном несовершенном амелогенезе». Соединительная ткань исследования. 44 (1): 72–78. Дои:10.1080/03008200390152124.
  7. ^ Kim, J. W .; Сеймен, Ф .; и другие. (Март 2005 г.). «Мутации ENAM в аутосомно-доминантном несовершенном амелогенезе». Журнал стоматологических исследований. 84 (3): 278–282. Дои:10.1177/154405910508400314. PMID  15723871.
  8. ^ Робинсон, С .; Kirkham, J .; Шор, Р. (1995). Формирование зубной эмали до разрушения. Бока-Ратон: CRC. ISBN  978-0849345890.
  9. ^ Palmer, L.C .; Newcomb, C.J .; и другие. (Ноябрь 2008 г.). «Биомиметические системы для минерализации гидроксиапатита, вдохновленные костью и эмалью». Химические обзоры. 108 (11): 4754–4783. Дои:10.1021 / cr8004422. ЧВК  2593885. PMID  19006400.
  10. ^ Sfeir, C .; Ли, Д .; и другие. (Февраль 2011 г.). «Экспрессия фосфофорина достаточна для индукции минерализации матрикса клетками млекопитающих». Журнал биологической химии. 286 (23): 20228–20238. Дои:10.1074 / jbc.M110.209528. ЧВК  3121506. PMID  21343307.
  11. ^ Kirkham, J .; Ферт, А .; и другие. (Май 2007 г.). «Самособирающиеся пептидные каркасы способствуют реминерализации эмали». Журнал стоматологических исследований. 86 (5): 426–430. CiteSeerX  10.1.1.496.1945. Дои:10.1177/154405910708600507. PMID  17452562.
  12. ^ Аль-Санабани, Дж. С.; Мадфа, АА; Аль-Санабани, FA (2013). «Применение кальцийфосфатных материалов в стоматологии». Международный журнал биоматериалов. 2013: 876132. Дои:10.1155/2013/876132. ЧВК  3710628. PMID  23878541.
  13. ^ Rabiee, S.M .; Назпарвар, Н .; Азизян, М .; Вашаи, Д .; Тайеби, Л. (июль 2015 г.). «Влияние ионного замещения на свойства биоактивных стекол: обзор». Керамика Интернэшнл. 41 (6): 7241–7251. Дои:10.1016 / j.ceramint.2015.02.140.
  14. ^ а б c Ву, Ю. и др., Самособирающиеся нановолокна пептида IKVAV способствуют прикреплению клеток PC12. Журнал Университета науки и технологий Хуачжун, 2006. 26 (5): p. 594-596.
  15. ^ а б Додла, М. и Р.В. Белламконда, Анизотропные каркасы способствуют усиленному разрастанию нейритов "in vitro". Журнал исследований биомедицинских материалов. Часть A, 2006. 78: p. 213-221.
  16. ^ Ким, К.Дж. и другие. (2013) Биомиметические роботизированные искусственные мышцы. Мировое научное издательство. | url: http://www.worldscientific.com/worldscibooks/10.1142/8395.
  17. ^ Йохансен, Вилладс Эгеде; Катон, Лаура; Хамиджаджа, Радитихо; Остеринк, Элс; Wilts, Bodo D .; Расмуссен, Торбен Сёльбек; Шерлок, Майкл Марио; Ingham, Colin J .; Виньолини, Сильвия (2018). «Генетическая манипуляция структурным цветом в бактериальных колониях». Труды Национальной академии наук. 115 (11): 2652–2657. Bibcode:2018PNAS..115.2652E. Дои:10.1073 / pnas.1716214115. ISSN  0027-8424. ЧВК  5856530. PMID  29472451.
  18. ^ а б Виньолини, Сильвия; Мойруд, Эдвиг; Хингант, Томас; Бэнкс, Ханна; Rudall, Paula J .; Штайнер, Ульрих; Гловер, Беверли Дж. (2015). «Цветок Hibiscus trionum радужно и заметно переливается». Новый Фитолог. 205 (1): 97–101. Дои:10.1111 / nph.12958. ISSN  0028-646X. PMID  25040014.
  19. ^ Wardill, T. J .; Gonzalez-Bellido, P.T .; Crook, R.J .; Хэнлон, Р. Т. (2012). «Нейронный контроль настраиваемой радужки кожи кальмаров». Труды Королевского общества B: биологические науки. 279 (1745): 4243–4252. Дои:10.1098 / rspb.2012.1374. ISSN  0962-8452. ЧВК  3441077. PMID  22896651.
  20. ^ а б Stavenga, D.G .; Wilts, B.D .; Leertouwer, H.L .; Харияма, Т. (2011). «Поляризованная переливчатость многослойных надкрылий японского ювелирного жука Chrysochroa fulgidissima». Философские труды Королевского общества B: биологические науки. 366 (1565): 709–723. Дои:10.1098 / rstb.2010.0197. ISSN  0962-8436. ЧВК  3049007. PMID  21282175.
  21. ^ Джейкобс, Мэтью; Лопес-Гарсия, Мартин; Phrathep, O.-Phart; Лоусон, Трейси; Олтон, Рут; Уитни, Хизер М. (2016). «Фотонная многослойная структура хлоропластов бегонии повышает эффективность фотосинтеза» (PDF). Природа Растения. 2 (11): 16162. Дои:10.1038 / nplants.2016.162. ISSN  2055-0278. PMID  27775728.
  22. ^ Чен, Линьфэн; Ши, Сяоди; Ли, Минчжу; Ху, Цзюньпин; Сунь, Шуфэн; Су, Бен; Вен, Юнцян; Хан, Донг; Цзян, Лэй; Песня, Яньлинь (2015). «Биоинспирированные фотонные структуры отражающим слоем фонаря-светлячка для высокоэффективного хемилюминесцентного журнала = Scientific Reports». Научные отчеты. 5 (1): 12965. Дои:10.1038 / srep12965. ЧВК  4532992. PMID  26264643.
  23. ^ Вэй, Хуэй; Ван, Эрканг (21.06.2013). «Наноматериалы с ферментативными характеристиками (нанозимы): искусственные ферменты нового поколения». Обзоры химического общества. 42 (14): 6060–93. Дои:10.1039 / C3CS35486E. ISSN  1460-4744. PMID  23740388. S2CID  39693417.