Биомиметический материал
Биомиметические материалы - это материалы, разработанные с использованием вдохновения от природы . Это может быть полезно при разработке композитных материалов . Природные структуры вдохновили и внедрили человеческие творения. [ 1 ] Примечательные примеры этих природных структур включают в себя: сотовую структуру улей, прочность паучьей шелка, механика полета птиц и репеллентность воды для кожи акулы . [ 2 ] Этимологические корни неологизма «биомиметично» происходят от греческого, поскольку биос означает «жизнь», а миметикос означает «подражающий». [ Цитация необходима ]
Тканевая инженерия
[ редактировать ]Биомиметические материалы в тканевой инженерии представляют собой материалы, которые были разработаны таким образом, что они выявляют указанные клеточные ответы, опосредованные взаимодействиями с каркасными пептидами из внеклеточного матрикса (ECM) белков ; По сути, включение клеточных 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 « самосборными пептидами », поскольку они могут быть модифицированы, чтобы содержать биологически активные мотивы . Это позволяет им повторять информацию, полученную из ткани, и самостоятельно воспроизводить ту же информацию. Таким образом, эти пептиды действуют как строительные блоки, способные проводить множественную биохимическую активность, включая тканевую инженерию. [ 4 ] Исследования тканевой инженерии, которые в настоящее время проводится как на короткой цепи, так и на длинных цепных пептидах, все еще находятся на ранних стадиях.
Такие пептиды включают как нативные длинные цепи белков ECM, а также короткие пептидные последовательности, полученные из неповрежденных белков ECM. Идея состоит в том, что биомиметический материал будет имитировать некоторые роли, которые ECM играет в нервной ткани . В дополнение к стимулированию клеточного роста и мобилизации, включенные пептиды также могут опосредовать специфические протеазы ферменты или инициировать клеточные ответы, отсутствующие в локальной нативной ткани. [ 3 ]
Вначале использовались длинные цепи белков ECM, включая фибронектин (FN), витронектин (VN) и ламинин (LN), но в последнее время были обнаружены преимущества использования коротких пептидов. Короткие пептиды более выгодны, потому что, в отличие от длинных цепей, которые случайным образом складываются при адсорбции, вызывая домены активного белка недоступные стерически , короткие пептиды остаются стабильными и не скрывают домены связывания рецептора при адсорбировании. Еще одним преимуществом для коротких пептидов является то, что они могут быть воспроизведены более экономически из -за меньшего размера. Двуфункциональный сшитый сшитый с длинной проставкой рукой используется для привязки пептидов к поверхности субстрата . Если функциональная группа недоступна для прикрепления сшившего сшивки, фотохимическая иммобилизация. может использоваться [ 3 ]
В дополнение к модификации поверхности, биоматериалы могут быть модифицированы оптом, что означает, что сигнальные пептиды клеток и сайты распознавания присутствуют не только на поверхности, но и по всей основной части материала. Сила прикрепления клеток, скорость миграции клеток и степень образования цитоскелетной организации определяется рецепторным связыванием с лигандом , связанным с материалом; Таким образом, сродство рецепторного лиганда, плотность лиганда и пространственное распределение лиганда должна быть тщательно рассмотрена при разработке биомиметического материала. [ 3 ]
Биомиметическая минерализация
[ редактировать ]Белки развивающегося эмалированного внеклеточного матрикса (например, амелогенин ) контролируют начальное осаждение минералов ( зарождение ) и последующий рост кристаллов, в конечном итоге определяя физико-механические свойства зрелой минерализованной ткани. Нуклеаторы объединяют минеральные ионы из окружающих жидкостей (таких как слюна) в форму структуры кристаллической решетки, путем стабилизации небольших ядер, чтобы обеспечить рост кристаллов, образуя минеральную ткань. [ 5 ] Мутации в эмалете белках ECM приводят к дефектам эмали, таким как несовершенство амелогенеза . Считается, что коллаген типа I играет аналогичную роль для формирования дентина и кости. [ 6 ] [ 7 ]
Минерал зубного эмала (а также дентину и кости) изготовлен из гидроксилапатита с иностранными ионами, включенными в структуру. Карбонат , фторид и магний являются наиболее распространенными гетероионными заместителями. [ 8 ]
В стратегии биомиметической минерализации, основанной на нормальном гистогенезе эмали , образуется трехмерный каркас для привлечения и расположения ионов кальция и/или фосфата, чтобы индуцировать осаждение гидроксилапатита de novo. [ 9 ]
Две общие стратегии были применены. Одним из них используются фрагменты, которые, как известно, поддерживают природные белки минерализации, такие как амелогенин, коллаген или дентин фосфорин в качестве основы. [ 10 ] В качестве альтернативы, макромолекулярные структуры De novo были разработаны для поддержки минерализации, не основанных на природных молекулах, а на рациональном дизайне. Одним из примеров является олигопептид P11-4 . [ 11 ]
В зубной ортопедии и имплантатах более традиционная стратегия для улучшения плотности базовой челюсти - это применение кальциевых фосфатных материалов. Обычно используемые материалы включают гидроксилапатит, трикалций фосфат и фосфатный цемент кальция . [ 12 ] Новые биологически активные очки следуют этой линии стратегии, где добавленный силикон обеспечивает важный бонус для локального поглощения кальция. [ 13 ]
Белки внеклеточного матрикса
[ редактировать ]Многие исследования используют ламинин-1 при разработке биомиметического материала. Ламинин является компонентом внеклеточного матрикса, способного способствовать прикреплению и дифференцировке нейронов, в дополнение к руководству по росту аксонов . Его основным функциональным сайтом для биологической активности является его основной белковый домен изолецин - лизин - валин - аланин - валин (IKVAV), который расположен в цепи α -1 ламинина . [ 14 ]
Недавнее исследование Wu, Zheng et al., Синтезировало самооргарный нановолокна Ikvav-пептида и проверил его влияние на адгезию нейрон-подобных клеток PC12 . Ранняя клеточная адгезия очень важна для предотвращения дегенерации клеток; Чем длинные клетки суспендированы в культуре, тем больше вероятность вырождения. Цель состояла в том, чтобы разработать биоматериал с хорошей клеточной адгезией и биоактивностью IKVAV, который способен ингибировать дифференцировку и адгезию глиальных клеток в дополнение к продвижению адгезии и дифференцировки нейрональных клеток . [ 14 ] Пептидный домен IKVAV находится на поверхности нановолокно, так что он подвергается воздействию и доступности для стимулирования взаимодействия контактов клеток. Нановолокна IKVAV способствовали более сильной адгезии клеток, чем электростатическое притяжение, индуцированное поли-L-лизином , и приверженность клеток увеличивалась с увеличением плотности IKVAV до тех пор, пока не будет достигнута точка насыщения. IKVAV не проявляет зависимых от времени эффектов, потому что приверженность была одинаковой через 1 час и через 3 часа. [ 14 ]
Известно, что ламинин стимулирует рост нейритов и играет роль в развивающейся нервной системе. Известно, что градиенты имеют решающее значение для руководства конусами роста в их целевых тканях в развивающейся нервной системе . Было проведено много исследований по растворимым градиентам; Тем не менее, небольшое внимание было сделано на градиентах субстрата, связанных веществ внеклеточного матрикса, таких как ламинин. [ 15 ] Додла и Белламконда изготовили анизотропный 3D-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 выросли как вверх, так и вниз по градиентам, но рост был быстрее при менее крутых градиентах и был быстрее по градиентам, чем вниз по градиентам. [ 15 ]
Биомиметические искусственные мышцы
[ редактировать ]Электроактивные полимеры (EAP) также известны как искусственные мышцы. EAP - это полимерные материалы, и они способны производить большую деформацию при применении в электрическом поле. Это обеспечивает большой потенциал в приложениях в области биотехнологии и робототехники, датчиков и приводов. [ 16 ]
Биомиметические фотонные структуры
[ редактировать ]Производство структурных цветов касается большого количества организмов. От бактерий ( штамм Flavobacterium IR1) [ 17 ] для многоклеточных организмов ( Hibiscus trionum , [ 18 ] Doryteuthis pealiii (Quid), [ 19 ] Или chrysochroa fulgidissima (betle) [ 20 ] ), манипулирование светом не ограничивается редкими и экзотическими формами жизни. Различные организмы эволюционировали различные механизмы для производства структурных цветов: многослойная кутикула у некоторых насекомых [ 20 ] и растения, [ 21 ] решетка, как поверхность в растениях, [ 18 ] Геометрически организованные клетки в бактериях ... все темы стоят за источником вдохновения для разработки структурно окрашенных материалов. Изучение брюшной полости Светлячка выявило наличие трехслойной системы, содержащей кутикулу, фотогеничный слой, а затем слой отражателя. Микроскопия слоя отражателя выявила грануляционную структуру. Непосредственно вдохновленный от слоя отражателя огненной мухи, искусственная гранулярная пленка, состоящая из полых шариков кремнезема около 1,05 мкм, коррелировала с индексом высокого отражения и могла использоваться для улучшения излучения света в хемилюминесцентных системах. [ 22 ]
Искусственный фермент
[ редактировать ]Искусственные ферменты - это синтетические материалы, которые могут имитировать (частичную) функцию естественного фермента, не обязательно являются белком. Среди них некоторые наноматериалы использовались для имитации природных ферментов. Эти наноматериалы называются нанозимами. Нанозимы, а также другие искусственные ферменты обнаружили широкие применения, от биосенсирования и иммуноанализа, до роста стволовых клеток и удаления загрязняющих веществ. [ 23 ]
Биомиметический композит
[ редактировать ]Биомиметические композиты производятся путем имитации естественных стратегий проектирования. Произведения или структуры, обнаруженные у животных и растений, были изучены, и эти биологические структуры применяются для изготовления композитной структуры. Исследователь используется для их изготовления передовых технологий, таких как 3D -печать, для их изготовления. [ 24 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Дизайн материалов, вдохновленные природой, редакторы: Питер Фратцл, Джон Данлоп, Ричард Вайнкамер, Королевское общество химии, Кембридж 2013, https://pubs.rsc.org/en/content/ebook/978-1-84973-755 -5
- ^ «7 удивительных примеров биомимикрии» . Получено 28 июля 2014 года .
- ^ Jump up to: а беременный в дюймовый Shin, H., S. Jo и Ag Mikos, Биомиметические материалы для тканевой инженерии . Биоматериалы, 2003. 24: с. 4353-5364.
- ^ Кавалли, Сильвия (2009). «Амфифильные пептиды и их междисциплинарная роль в качестве строительных блоков для нанонауки» (PDF) . Обзоры химического общества . 39 (1): 241–263. doi : 10.1039/b906701a . PMID 20023851 . Архивировано из оригинала (PDF) 4 октября 2013 года . Получено 3 октября 2013 года .
- ^ Simmer, JP & Fincham, AG (1995). «Молекулярные механизмы образования зубной эмали» . Критические обзоры в пероральной биологии и медицине . 6 (2): 84–108. doi : 10.1177/104544411950060020701 . PMID 7548623 .
- ^ Райт, JT; Харт, PS; и др. (2003). «Связь фенотипа и генотипа в X-связанном амелогенезе несовершенство». Исследование соединительной ткани . 44 (1): 72–78. doi : 10.1080/03008200390152124 . PMID 12952177 . S2CID 12455593 .
- ^ Ким, JW; Seymen, F.; и др. (Март 2005 г.). «Эмам-мутации в аутосомно-доминантном несовершенном амелогенезе». Журнал стоматологических исследований . 84 (3): 278–282. doi : 10.1177/154405910508400314 . PMID 15723871 . S2CID 464969 .
- ^ Робинсон, C.; Kirkham, J.; Shore, R. (1995). Формирование зубной эмали до разрушения . Бока -Ратон: CRC. ISBN 978-0849345890 .
- ^ Палмер, LC; Newcomb, CJ; и др. (Ноябрь 2008 г.). «Биомиметические системы для минерализации гидроксиапатита, вдохновленных костью и эмалью» . Химические обзоры . 108 (11): 4754–4783. doi : 10.1021/cr80044422 . PMC 2593885 . PMID 19006400 .
- ^ Sfeir, C.; Ли, Д.; и др. (Февраль 2011 г.). «Экспрессия фосфорина достаточна для индукции матричной минерализации клетками млекопитающих» . Журнал биологической химии . 286 (23): 20228–20238. doi : 10.1074/jbc.m110.209528 . PMC 3121506 . PMID 21343307 .
- ^ Kirkham, J.; Ферт, А.; и др. (Май 2007). «Самосборные пептидные каркасы способствуют эмалевой реминерализации». Журнал стоматологических исследований . 86 (5): 426–430. Citeseerx 10.1.1.496.1945 . doi : 10.1177/154405910708600507 . PMID 17452562 . S2CID 21582771 .
- ^ Аль-Санабани, JS; Мадфа, Аа; Al-Sanabani, FA (2013). «Применение кальциевых фосфатных материалов в стоматологии» . Международный журнал биоматериалов . 2013 : 876132. DOI : 10.1155/2013/876132 . PMC 3710628 . PMID 23878541 .
- ^ Раби, С.М.; Nazparvar, N.; Азизиан, м.; Vashaee, D.; Тайби Л. (июль 2015 г.). «Влияние замены ионов на свойства биологически активных очков: обзор». Ceramics International . 41 (6): 7241–7251. doi : 10.1016/j.ceramint.2015.02.140 .
- ^ Jump up to: а беременный в Wu, Y., et al., Самосборные пептидные нановолокна Ikvav способствуют адгезии клеток PC12 . Журнал Университета науки и технологий Хуажонга, 2006 г. 26 (5): с. 594-596.
- ^ Jump up to: а беременный Dodla, MC и RV Bellamkonda, анизотропные каркасы облегчают усиление расширения нейритов «in vitro» . Журнал исследований биомедицинских материалов. Часть A, 2006. 78: с. 213-221.
- ^ Kim, KJ et al. (2013) Биомиметические роботизированные искусственные мышцы . World Scientific Publishing. | URL: http://www.worldscientific.com/worldscibooks/10.1142/8395 .
- ^ Йохансен, Виллад Эгде; Катон, Лора; Хамиджаджа, Радитиджо; Oosterink, Els; Уилтс, Бодо Д.; Расмуссен, Торбен Сёлбек; Шерлок, Майкл Марио; Ингам, Колин Дж.; Vignolini, Silvia (2018). «Генетическая манипуляция структурного цвета в бактериальных колониях» . Труды Национальной академии наук . 115 (11): 2652–2657. Bibcode : 2018pnas..115.2652e . doi : 10.1073/pnas.1716214115 . ISSN 0027-8424 . PMC 5856530 . PMID 29472451 .
- ^ Jump up to: а беременный Виньолини, Сильвия; Мойруд, Эдвиг; Хингант, Томас; Банки, Ханна; Рудалл, Паула Дж.; Штайнер, Улрих; Гловер, Беверли Дж. (2015). «Цветок ofhibiscus trionumis заметно и измерительно радует» . Новый фитолог . 205 (1): 97–101. doi : 10.1111/nph.12958 . ISSN 0028-646X . PMID 25040014 .
- ^ Wardill, TJ; Гонсалес-Беллидо, PT; Крук, RJ; Hanlon, RT (2012). «Нейронный контроль настраиваемой переливной кожи в кальмаре» . Труды Королевского общества B: Биологические науки . 279 (1745): 4243–4252. doi : 10.1098/rspb.2012.1374 . ISSN 0962-8452 . PMC 3441077 . PMID 22896651 .
- ^ Jump up to: а беременный Ставанга, DG; Уилтс, BD; Leertouwer, HL; Hariyama, T. (2011). «Поляризованная переливаемость многослойной элитры японского жука -драгоценного камня, Chrysochroa fulgidissima» . Философские транзакции Королевского общества B: биологические науки . 366 (1565): 709–723. doi : 10.1098/rstb.2010.0197 . ISSN 0962-8436 . PMC 3049007 . PMID 21282175 .
- ^ Джейкобс, Мэтью; Лопес-Гарсия, Мартин; Phrathep, O.-phart; Лоусон, Трейси; Оултон, Рут; Уитни, Хизер М. (2016). «Фотонная многослойная структура хлоропластов бегонии повышает эффективность фотосинтеза» (PDF) . Природные растения . 2 (11): 16162. DOI : 10.1038/nplants.2016.162 . ISSN 2055-0278 . PMID 27775728 . S2CID 4233186 .
- ^ Чен, Линфенг; Ши, Сяоди; Ли, Мингчжу; Ху, Junping; Солнце, Шуфенг; Su, bin; Вэнь, Юнцян; Хан, Донг; Цзян, Лей; Сонг, Янлин (2015). «Биоинспиренные фотонные структуры с помощью отражателя слоя светового фонаря для высокоэффективных хемилюминесцентных джуурна = научные отчеты» . Научные отчеты . 5 (1): 12965. DOI : 10.1038/SREP12965 . PMC 4532992 . PMID 26264643 .
- ^ Вэй, Хуи; Ван, Эрканг (2013-06-21). «Наноматериалы с ферментными характеристиками (нанозимы): искусственные ферменты следующего поколения». Обзоры химического общества . 42 (14): 6060–93. doi : 10.1039/c3cs35486e . ISSN 1460-4744 . PMID 23740388 . S2CID 39693417 .
- ^ Ислам, Мухаммед Камрул; Хейзелл, Пол Дж.; Escobedo, Juan P.; Ван, Хонгсу (июль 2021 г.). «Стратегии проектирования биомиметической брони для аддитивного производства: обзор» . Материалы и дизайн . 205 : 109730. DOI : 10.1016/j.matdes.2021.109730 .