Биомиметический материал
Биомиметические материалы – это материалы, созданные с использованием вдохновения природы . Это может быть полезно при разработке композиционных материалов . Природные структуры вдохновили и обновили человеческие творения. [ 1 ] Яркие примеры этих природных структур включают в себя: сотовую структуру улья, прочность паутины, механику полета птиц и кожи акулы . водоотталкивающие свойства [ 2 ] Этимологические корни неологизма «биомиметический» происходят из греческого языка, поскольку биос означает «жизнь», а миметикос означает «подражательный». [ нужна ссылка ]
Тканевая инженерия
[ редактировать ]Биомиметические материалы в тканевой инженерии — это материалы, которые были разработаны таким образом, что они вызывают определенные клеточные реакции, опосредованные взаимодействиями с пептидами , связанными с каркасом, из внеклеточного матрикса (ECM) белков ; по сути, это включение клеточно-связывающих пептидов в биоматериалы посредством химической или физической модификации. [ 3 ] Аминокислоты, находящиеся в составе пептидов, используются в качестве строительных блоков других биологических структур. Эти пептиды часто называют « самособирающимися пептидами », поскольку их можно модифицировать, чтобы они содержали биологически активные мотивы . Это позволяет им копировать информацию, полученную из тканей, и воспроизводить ту же информацию независимо. Таким образом, эти пептиды действуют как строительные блоки, способные осуществлять множество биохимических действий, включая тканевую инженерию. [ 4 ] Исследования тканевой инженерии, проводимые в настоящее время как с короткоцепочечными, так и с длинноцепочечными пептидами, все еще находятся на ранних стадиях.
Такие пептиды включают как нативные длинные цепи белков ЕСМ, так и короткие пептидные последовательности, полученные из интактных белков ЕСМ. Идея состоит в том, что биомиметический материал будет имитировать некоторые роли, которые ЕСМ играет в нервной ткани . Помимо стимулирования роста и мобилизации клеток, включенные пептиды могут также опосредовать действие специфических ферментов протеаз или инициировать клеточные реакции, отсутствующие в местной нативной ткани. [ 3 ]
Вначале использовались длинные цепи белков ЕСМ, включая фибронектин (FN), витронектин (VN) и ламинин (LN), но совсем недавно были обнаружены преимущества использования коротких пептидов. активных белковых доменов недоступности Короткие пептиды более выгодны, поскольку, в отличие от длинных цепей, которые при адсорбции сворачиваются случайным образом, что приводит к стерической , короткие пептиды остаются стабильными и не скрывают рецептор-связывающие домены при адсорбции. Еще одним преимуществом коротких пептидов является то, что их можно воспроизводить более экономично из-за меньшего размера. Бифункциональный сшивающий агент с длинным спейсером используется для прикрепления пептидов к поверхности субстрата . Если функциональная группа для присоединения сшивающего агента недоступна, фотохимическую иммобилизацию. можно использовать [ 3 ]
Помимо модификации поверхности, биоматериалы можно модифицировать в объеме, а это означает, что клеточные сигнальные пептиды и сайты узнавания присутствуют не только на поверхности, но и по всему объему материала. Прочность прикрепления клеток, скорость миграции клеток и степень формирования цитоскелетной организации определяются связыванием рецептора с лигандом , связанным с материалом; таким образом, при разработке биомиметического материала необходимо тщательно учитывать сродство рецептора к лиганду, плотность лиганда и пространственное распределение лиганда. [ 3 ]
Биомиметическая минерализация
[ редактировать ]Белки развивающегося внеклеточного матрикса эмали (такие как амелогенин ) контролируют начальное отложение минералов ( зародышеобразование ) и последующий рост кристаллов, в конечном итоге определяя физико-механические свойства зрелой минерализованной ткани. Нуклеаторы объединяют минеральные ионы из окружающих жидкостей (например, слюны) в форму структуры кристаллической решетки, стабилизируя небольшие ядра, обеспечивая рост кристаллов, образуя минеральную ткань. [ 5 ] Мутации в белках ЕСМ эмали приводят к дефектам эмали, таким как несовершенный амелогенез . Считается, что коллаген типа I играет аналогичную роль в формировании дентина и кости. [ 6 ] [ 7 ]
Минерал зубной эмали (а также дентин и кость) состоит из гидроксиапатита с включенными в структуру инородными ионами. Карбонат , фторид и магний являются наиболее распространенными гетероионными заместителями. [ 8 ]
В стратегии биомиметической минерализации, основанной на нормальном гистогенезе эмали , формируется трехмерный каркас для привлечения и упорядочения ионов кальция и/или фосфата, чтобы вызвать осаждение гидроксиапатита de novo. [ 9 ]
Были применены две общие стратегии. Один из них использует в качестве основы фрагменты, которые, как известно, поддерживают природные белки минерализации, такие как амелогенин, коллаген или дентинфосфофорин. [ 10 ] Альтернативно, для поддержки минерализации были разработаны макромолекулярные структуры de novo, основанные не на природных молекулах, а на рациональном дизайне. Одним из примеров является олигопептид P11-4 . [ 11 ]
В стоматологической ортопедии и имплантации более традиционная стратегия улучшения плотности подлежащей кости челюсти заключается в in situ применении материалов из фосфата кальция . Обычно используемые материалы включают гидроксиапатит, трикальцийфосфат и цемент на основе фосфата кальция . [ 12 ] Новые биоактивные очки следуют этой стратегии, где добавленный силикон обеспечивает важный бонус к местному поглощению кальция. [ 13 ]
Белки внеклеточного матрикса
[ редактировать ]Во многих исследованиях ламинин-1 используется при разработке биомиметического материала. Ламинин является компонентом внеклеточного матрикса, который способен способствовать прикреплению и дифференцировке нейронов, а также направлять рост аксонов . Его основным функциональным местом биологической активности является его основной белковый домен изолейцин - лизин - валин - аланин - валин (IKVAV), который расположен в цепи α-1 ламинина . [ 14 ]
В недавнем исследовании Ву, Чжэна и др. было синтезировано самособирающееся пептидное нановолокно IKVAV и проверено его влияние на адгезию нейроноподобных клеток pc12 . Ранняя адгезия клеток очень важна для предотвращения дегенерации клеток; чем дольше клетки находятся в культуре, тем больше вероятность их дегенерации. Цель заключалась в разработке биоматериала с хорошей адгезией клеток и биологической активностью с помощью IKVAV, который способен ингибировать дифференцировку и адгезию глиальных клеток, а также способствовать адгезии и дифференцировке нейрональных клеток . [ 14 ] Пептидный домен IKVAV находится на поверхности нановолокон, поэтому он открыт и доступен для содействия контактному взаимодействию клеток. Нановолокна IKVAV способствовали более сильному прилипанию клеток, чем электростатическое притяжение, индуцированное поли-L-лизином , и прилипание клеток увеличивалось с увеличением плотности IKVAV до тех пор, пока не была достигнута точка насыщения. IKVAV не проявляет эффектов, зависящих от времени, поскольку было показано, что соблюдение режима лечения было одинаковым через 1 час и через 3 часа. [ 14 ]
Известно, что ламинин стимулирует рост нейритов и играет роль в развитии нервной системы. Известно, что градиенты имеют решающее значение для направления конусов роста к тканям-мишеням в развивающейся нервной системе . Было проведено много исследований растворимых градиентов; однако мало внимания уделялось градиентам связанных с субстратом веществ 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. Невриты росли как вверх, так и вниз по градиенту, но рост был быстрее при менее крутых градиентах и быстрее вверх по градиенту, чем вниз. [ 15 ]
Биомиметические искусственные мышцы
[ редактировать ]Электроактивные полимеры (ЭАП) также известны как искусственные мышцы. ЭАП представляют собой полимерные материалы и способны вызывать большую деформацию при воздействии электрического поля. Это обеспечивает большой потенциал в приложениях в биотехнологии и робототехнике, датчиках и исполнительных механизмах. [ 16 ]
Биомиметические фотонные структуры
[ редактировать ]Производство структурных цветов касается большого количества организмов. Из бактерий ( штамм Flavobacterium IR1) [ 17 ] к многоклеточным организмам ( Hibiscus trionum , [ 18 ] Doryteuthis pealeii (кальмар), [ 19 ] или Chrysochroa fulgidissima (жук) [ 20 ] ), манипулирование светом не ограничивается редкими и экзотическими формами жизни. У разных организмов развились разные механизмы образования структурных цветов: многослойная кутикула у некоторых насекомых. [ 20 ] и растения, [ 21 ] решетчатая поверхность у растений, [ 18 ] геометрически организованные клетки бактерий... все темы служат источником вдохновения для разработки структурно окрашенных материалов. Исследование брюшка светлячка выявило наличие трехслойной системы, состоящей из кутикулы, фотогеничного слоя и отражающего слоя. При микроскопии слоя отражателя выявлена гранулятная структура. Созданная непосредственно из слоя отражателя светлячка, искусственная гранулированная пленка, состоящая из полых шариков кремнезема размером около 1,05 мкм, имела высокий индекс отражения и могла использоваться для улучшения светоизлучения в хемилюминесцентных системах. [ 22 ]
Искусственный фермент
[ редактировать ]Искусственные ферменты — это синтетические материалы, которые могут имитировать (частично) функцию природного фермента, не обязательно являясь белком. Среди них некоторые наноматериалы использовались для имитации природных ферментов. Эти наноматериалы называются нанозимами. Нанозимы, а также другие искусственные ферменты нашли широкое применение: от биосенсорства и иммуноанализа до роста стволовых клеток и удаления загрязняющих веществ. [ 23 ]
Биомиметический композит
[ редактировать ]Биомиметические композиты создаются путем имитации естественных стратегий проектирования. Были изучены конструкции или структуры, обнаруженные у животных и растений, и эти биологические структуры применяются для изготовления композитных конструкций. Для их изготовления исследователи используют передовые производственные технологии, такие как 3D-печать. [ 24 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Дизайн материалов, вдохновленный природой, Редакторы: Питер Фратцл, Джон Данлоп, Ричард Вайнкамер, Королевское химическое общество, Кембридж, 2013, https://pubs.rsc.org/en/content/ebook/978-1-84973-755 -5
- ^ «7 удивительных примеров биомимикрии» . Проверено 28 июля 2014 г.
- ^ Jump up to: а б с д Шин Х., С. Джо и А.Г. Микос, Биомиметические материалы для тканевой инженерии . Биоматериалы, 2003. 24: с. 4353-5364.
- ^ Кавалли, Сильвия (2009). «Амфифильные пептиды и их междисциплинарная роль как строительные блоки для нанонауки» (PDF) . Обзоры химического общества . 39 (1): 241–263. дои : 10.1039/b906701a . ПМИД 20023851 . Архивировано из оригинала (PDF) 4 октября 2013 года . Проверено 3 октября 2013 г.
- ^ Симмер, Дж. П. и Финчем, АГ (1995). «Молекулярные механизмы образования зубной эмали» . Критические обзоры в области оральной биологии и медицины . 6 (2): 84–108. дои : 10.1177/10454411950060020701 . ПМИД 7548623 .
- ^ Райт, Дж. Т.; Харт, PS; и др. (2003). «Взаимосвязь фенотипа и генотипа при несовершенном Х-сцепленном амелогенезе». Исследование соединительной ткани . 44 (1): 72–78. дои : 10.1080/03008200390152124 . ПМИД 12952177 . S2CID 12455593 .
- ^ Ким, JW; Сеймен, Ф.; и др. (март 2005 г.). «Мутации ENAM при аутосомно-доминантном несовершенном амелогенезе». Журнал стоматологических исследований . 84 (3): 278–282. дои : 10.1177/154405910508400314 . ПМИД 15723871 . S2CID 464969 .
- ^ Робинсон, К.; Киркхэм, Дж.; Шор, Р. (1995). От формирования до разрушения зубной эмали . Бока-Ратон: CRC. ISBN 978-0849345890 .
- ^ Палмер, LC; Ньюкомб, CJ; и др. (ноябрь 2008 г.). «Биомиметические системы минерализации гидроксиапатита, вдохновленные костью и эмалью» . Химические обзоры . 108 (11): 4754–4783. дои : 10.1021/cr8004422 . ПМЦ 2593885 . ПМИД 19006400 .
- ^ Сфейр, К.; Ли, Д.; и др. (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 . ПМК 3121506 . ПМИД 21343307 .
- ^ Киркхэм, Дж.; Ферт, А.; и др. (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 . ПМИД 17452562 . S2CID 21582771 .
- ^ Аль-Санабани, Дж.С.; Мадфа, А.А.; Аль-Санабани, ФА (2013). «Применение кальций-фосфатных материалов в стоматологии» . Международный журнал биоматериалов . 2013 : 876132. doi : 10.1155/2013/876132 . ПМК 3710628 . ПМИД 23878541 .
- ^ Раби, С.М.; Назпарвар, Н.; Азизян, М.; Вашаи, Д.; Тайеби, Л. (июль 2015 г.). «Влияние ионного замещения на свойства биоактивных стекол: обзор». Керамика Интернешнл . 41 (6): 7241–7251. doi : 10.1016/j.ceramint.2015.02.140 .
- ^ Jump up to: а б с Ву, Ю. и др., Самособирающиеся пептидные нановолокна IKVAV способствуют прилипанию клеток PC12 . Журнал Хуачжунского университета науки и технологий, 2006. 26 (5): с. 594-596.
- ^ Jump up to: а б Додла, М.К. и Р.В. Белламконда, Анизотропные каркасы способствуют усиленному расширению нейритов «in vitro» . Журнал исследований биомедицинских материалов. Часть А, 2006. 78: с. 213-221.
- ^ Ким, KJ и др. (2013) Биомиметические роботизированные искусственные мышцы . Мировое научное издательство. |URL: http://www.worldscientific.com/worldscibooks/10.1142/8395 .
- ^ Йохансен, Вилладс Эгеде; Катон, Лаура; Хамиджаджа, Радитихо; Остеринк, Элс; Уилтс, Бодо Д.; Расмуссен, Торбен Сёльбек; Шерлок, Майкл Марио; Ингхэм, Колин Дж.; Виньолини, Сильвия (2018). «Генетические манипуляции со структурным цветом бактериальных колоний» . Труды Национальной академии наук . 115 (11): 2652–2657. Бибкод : 2018PNAS..115.2652E . дои : 10.1073/pnas.1716214115 . ISSN 0027-8424 . ПМК 5856530 . ПМИД 29472451 .
- ^ Jump up to: а б Виньолини, Сильвия; Мойруд, Эдвиж; Хингант, Томас; Бэнкс, Ханна; Рудалл, Паула Дж.; Штайнер, Ульрих; Гловер, Беверли Дж. (2015). «Цветок Hibiscus trionumis заметно и заметно переливается» . Новый фитолог . 205 (1): 97–101. дои : 10.1111/nph.12958 . ISSN 0028-646X . ПМИД 25040014 .
- ^ Уордилл, Ти Джей; Гонсалес-Беллидо, ПТ; Крук, Р.Дж.; Хэнлон, RT (2012). «Нейронный контроль настраиваемой радужности кожи кальмара» . Труды Королевского общества B: Биологические науки . 279 (1745): 4243–4252. дои : 10.1098/rspb.2012.1374 . ISSN 0962-8452 . ПМЦ 3441077 . ПМИД 22896651 .
- ^ Jump up to: а б Ставенга, генеральный директор; Уилтс, Б.Д.; Леертауэр, Х.Л.; Харияма, Т. (2011). «Поляризованная переливчатость многослойных надкрылий японского драгоценного жука Chrysochroa fulgidissima» . Философские труды Королевского общества B: Биологические науки . 366 (1565): 709–723. дои : 10.1098/rstb.2010.0197 . ISSN 0962-8436 . ПМК 3049007 . ПМИД 21282175 .
- ^ Джейкобс, Мэтью; Лопес-Гарсия, Мартин; Фратеп, О.-Фарт; 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 . ПМИД 27775728 . S2CID 4233186 .
- ^ Чен, Линьфэн; Ши, Сяоди; Ли, Минчжу; Ху, Цзюньпин; Сунь, Шуфэн; Су, Бин; Вэнь, Юнцян; Хан, Донг; Цзян, Лей; Сун, Яньлинь (2015). «Биоинспирированные фотонные структуры на основе отражающего слоя фонаря-светлячка для высокоэффективной хемилюминесценции. Журнал = Научные отчеты» . Научные отчеты . 5 (1): 12965. дои : 10.1038/srep12965 . ПМЦ 4532992 . ПМИД 26264643 .
- ^ Вэй, Хуэй; Ван, Эркан (21 июня 2013 г.). «Наноматериалы с ферментоподобными характеристиками (нанозимы): искусственные ферменты нового поколения». Обзоры химического общества . 42 (14): 6060–93. дои : 10.1039/C3CS35486E . ISSN 1460-4744 . ПМИД 23740388 . S2CID 39693417 .
- ^ Ислам, Мухаммед Камрул; Хэзелл, Пол Дж.; Эскобедо, Хуан П.; Ван, Хунсюй (июль 2021 г.). «Стратегии проектирования биомиметической брони для аддитивного производства: обзор» . Материалы и дизайн . 205 : 109730. doi : 10.1016/j.matdes.2021.109730 .