Jump to content

Биомиметический материал

(Перенаправлено из биомиметических материалов )

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 ]

  1. ^ 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
  2. ^ «7 удивительных примеров биомимикрии» . Получено 28 июля 2014 года .
  3. ^ 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.
  4. ^ 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 .
  5. ^ 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 .
  6. ^ 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 .
  7. ^ 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 .
  8. ^ Робинсон, C.; Kirkham, J.; Shore, R. (1995). Формирование зубной эмали до разрушения . Бока -Ратон: CRC. ISBN  978-0849345890 .
  9. ^ 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 .
  10. ^ 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 .
  11. ^ 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 .
  12. ^ 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 .
  13. ^ 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 .
  14. ^ 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.
  15. ^ 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.
  16. ^ Kim, KJ et al. (2013) Биомиметические роботизированные искусственные мышцы . World Scientific Publishing. | URL: http://www.worldscientific.com/worldscibooks/10.1142/8395 .
  17. ^ 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 .
  18. ^ 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 .
  19. ^ 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 .
  20. ^ 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 .
  21. ^ 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 .
  22. ^ 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 .
  23. ^ 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 .
  24. ^ 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 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 2b2db7f62dae2d001d457bb8f3852e50__1698785820
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/2b/50/2b2db7f62dae2d001d457bb8f3852e50.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Biomimetic material - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)