Биоинтерфейс

Биоинтерфейс — это область контакта между биомолекулой, клеткой , биологической тканью или живым организмом или органическим материалом, считающимся живым, с другим биоматериалом или неорганическим/органическим материалом. Мотивация для науки о биоинтерфейсах проистекает из острой необходимости улучшить понимание взаимодействий между биомолекулами и поверхностями. Поведение сложных макромолекулярных систем на границе раздела материалов важно в областях биологии , биотехнологии , диагностики и медицины. Биоинтерфейсная наука — это междисциплинарная область, в которой биохимики, синтезирующие новые классы биомолекул (пептиды , нуклеиновые кислоты , пептидомиметики , аптамеры , рибозимы и сконструированные белки ), сотрудничают с учеными, разработавшими инструменты для позиционирования биомолекул с молекулярной точностью (методы проксимальных зондов, нанотехнологии). - и микроконтактные методы, электронно-лучевая и рентгеновская литография , а также методы самосборки снизу вверх), ученые, разработавшие новые спектроскопические методы для исследования этих молекул на границе твердого тела и жидкости, и люди, которые интегрируют их в функциональные устройства. (физики-прикладники, химики-аналитики и биоинженеры ). Хорошо спроектированные биоинтерфейсы будут способствовать желаемому взаимодействию, обеспечивая оптимизированные поверхности, на которых биологическое вещество может взаимодействовать с другими неорганическими или органическими материалами, например, способствуя адгезии клеток и тканей к поверхности.

Темы, представляющие интерес, включают, помимо прочего:

• Нейронные интерфейсы
• Клетки в инженерной микросреде и регенеративная медицина
• Вычислительные и моделирующие подходы к биоинтерфейсам
• Мембраны и мембранное биосенсорство
• Пептиды , углеводы и ДНК на биоинтерфейсах
• Патогенез и выявление возбудителя
• Молекулярно спроектированные интерфейсы
• нанотрубок / наночастиц Интерфейсы

Связанными с биоинтерфейсами областями являются биоминерализация , биосенсоры , медицинские имплантаты и т. д.

Наноструктурные интерфейсы

Нанотехнологии — быстро развивающаяся область, которая позволила создать множество различных возможностей для создания биоинтерфейсов. Наноструктуры , которые обычно используются для биоинтерфейсов, включают: металлические наноматериалы, такие как наночастицы золота и серебра , полупроводниковые материалы, такие как кремниевые нанопроволоки , углеродные наноматериалы и нанопористые материалы. Благодаря множеству свойств, уникальных для каждого наноматериала, таких как размер, проводимость и конструкция, были достигнуты различные применения. Например, наночастицы золота часто функционализируются для того, чтобы действовать в качестве агентов доставки лекарств при раке, поскольку их размер позволяет им пассивно собираться в местах опухоли. Также, например, использование кремниевых нанопроволок в нанопористых материалах для создания каркасов для синтетических тканей позволяет контролировать электрическую активность и электрическую стимуляцию клеток в результате фотоэлектрических свойств кремния. Ориентацией биомолекул на границе раздела также можно управлять посредством модуляции таких параметров, как pH, температура и электрическое поле. Например, ДНК, привитую на золотые электроды, можно приблизить к поверхности электрода при приложении положительного электродного потенциала, и, как объяснили Рэнт и др., это можно использовать для создания интеллектуальных интерфейсов для биомолекулярного обнаружения. Точно так же Сяо Ма и другие, обсудили электрический контроль связывания/отсоединения тромбина из аптамеров, иммобилизованных на электродах. Они показали, что при приложении определенных положительных потенциалов тромбин отделяется. из биоинтерфейса.

Интерфейсы из кремниевых нанопроводов

Кремний является распространенным материалом, используемым в технологической отрасли из-за его распространенности, а также его свойств полупроводника. Однако в массовом виде, используемые для компьютерных чипов и т.п., они не способствуют созданию биоинтерфейсов. Для этих целей кремниевые нанопроволоки часто используются (SiNW). Различные методы выращивания и состава SiNW, такие как травление , химическое осаждение из паровой фазы и легирование , позволяют настраивать свойства SiNW для уникальных применений. Одним из примеров такого уникального применения является то, что SiNW можно использовать в качестве отдельных проводов для внутриклеточных зондов или внеклеточных устройств, или SiNW можно манипулировать в более крупные макроструктуры. Этими структурами можно манипулировать, превращая их в гибкие трехмерные макропорусные структуры (например, каркасы, упомянутые выше), которые можно использовать для создания синтетических внеклеточных матриксов . В случае Тиана и др. кардиомиоциты выращивались на этих структурах как способ создания синтетической тканевой структуры, которую можно было бы использовать для мониторинга электрической активности клеток на каркасе. Устройство, созданное Тианом и др. использует тот факт, что SiNW представляют собой устройства на основе полевых транзисторов (FET). Устройства на полевых транзисторах реагируют на электрические потенциальные заряды на поверхности устройства или, в данном случае, на поверхности SiNW. Преимущество устройства на полевых транзисторах также можно использовать при использовании отдельных SiNW в качестве биосенсорных устройств. Сенсоры SiNW представляют собой нанопровода, которые содержат на своей поверхности специфические рецепторы, которые при связывании с соответствующими антигенами вызывают изменения проводимости . Эти сенсоры могут быть вставлены в клетки с минимальной инвазивностью, что делает их в некотором смысле предпочтительнее традиционных биосенсоров, таких как флуоресцентные красители, а также других наночастиц, требующих целевой маркировки.