Модификация поверхности биоматериалов белками

Белковый паттерн – шахматная доска

Биоматериалы – это материалы, которые используются в контакте с биологическими системами. Биосовместимость и применимость модификации поверхности при современном использовании металлических, полимерных и керамических биоматериалов позволяют изменять свойства для повышения эффективности в биологической среде, сохраняя при этом объемные свойства желаемого устройства.

Модификация поверхности затрагивает основы физико-химических взаимодействий между биоматериалом и физиологической средой на молекулярном, клеточном и тканевом уровнях (снижает бактериальную адгезию, способствует клеточной адгезии). В настоящее время существуют различные методы определения характеристик и модификации поверхности биоматериалов, а также полезные применения фундаментальных концепций в нескольких биомедицинских решениях.

Функция

Функция модификации поверхности заключается в изменении физических и химических свойств поверхностей для улучшения функциональности исходного материала. Модификация поверхности белков различных типов биоматериалов (керамики, полимеров, металлов, композитов) проводится с целью в конечном итоге повышения биосовместимости материала и его взаимодействия в качестве биоактивного материала для конкретных применений. В различных биомедицинских применениях при разработке имплантируемых медицинских устройств (таких как кардиостимуляторы и стенты ) свойства поверхности/взаимодействия белков с конкретным материалом необходимо оценивать с точки зрения биосовместимости, поскольку она играет важную роль в определении биологической реакции. Например, можно изменить гидрофобность или гидрофильность поверхности материала. Инженерная биосовместимость физиологической среды и поверхностного материала позволяет создавать новые медицинские изделия, материалы и хирургические процедуры с дополнительной биофункциональностью.

Модификацию поверхности можно осуществлять различными методами, которые можно разделить на три основные группы: физические (физическая адсорбция, пленка Ленгмюра-Блоджетт ), химические (окисление сильными кислотами, обработка озоном, хемосорбция и обработка пламенем ) и радиационные ( тлеющий разряд , коронный разряд , фотоактивация (УФ), лазер, ионный луч, плазменная иммерсионная ионная имплантация , электронно-лучевая литография и γ-облучение ).

Биосовместимость

С биомедицинской точки зрения биосовместимость — это способность материала действовать с соответствующей реакцией хозяина в конкретном применении. Описано, что он нетоксичен, не вызывает побочных реакций, таких как хроническая воспалительная реакция с необычным образованием тканей, и предназначен для правильного функционирования в течение разумного срока службы. Это требование к биоматериалам, в которых материал с модифицированной поверхностью не причинит вреда хозяину, а сам материал не будет поврежден хозяином. Хотя большинство синтетических биоматериалов обладают физическими свойствами, которые соответствуют свойствам натуральных тканей или даже превосходят их, они часто приводят к неблагоприятным физиологическим реакциям, таким как образование тромбов , воспаление и инфекция.

Биоинтеграция является конечной целью, например, в ортопедических имплантатах, когда кости создают механически прочный интерфейс с полным слиянием между искусственным имплантируемым материалом и костными тканями при хороших условиях биосовместимости. Модификация поверхности материала может улучшить его биосовместимость и может быть осуществлена ​​без изменения его объемных свойств. Свойства самых верхних молекулярных слоев имеют решающее значение в биоматериалах. поскольку поверхностные слои находятся в физико-химическом контакте с биологической средой.

Более того, хотя некоторые биоматериалы обладают хорошей биосовместимостью, они могут обладать плохими механическими или физическими свойствами, такими как износостойкость, антикоррозийность, смачиваемость или смазывающая способность. В этих случаях используется модификация поверхности для нанесения слоя покрытия или смешивания с подложкой для формирования композитного слоя.

Клеточная адгезия

Поскольку белки состоят из разных последовательностей аминокислот, белки могут выполнять различные функции, поскольку их структурная форма, обусловленная рядом молекулярных связей, может меняться. Аминокислоты обладают различными характеристиками, такими как полярность, неполярность, положительный или отрицательный заряд, что определяется наличием разных боковых цепей. Таким образом, ожидается, что присоединение молекул с различными белками, например, содержащими последовательности аргинин-глицин-аспартат (RGD), модифицирует поверхность тканевых каркасов и приведет к улучшению адгезии клеток при помещении их в физиологическое окружение. Дополнительные модификации поверхности могут осуществляться путем прикрепления функциональных групп 2D или 3D рисунков к поверхности, чтобы регулировать выравнивание клеток и улучшать образование новых тканей.

Биомедицинские материалы

Некоторые из перечисленных выше методов модификации поверхности особенно используются для определенных функций или видов материалов. Одним из преимуществ плазменной иммерсионной ионной имплантации является ее способность обрабатывать большинство материалов. Ионная имплантация — это эффективный метод обработки поверхности, который используется для улучшения поверхностных свойств биоматериалов. Уникальное преимущество плазменной модификации заключается в том, что свойства поверхности и биосовместимость можно избирательно улучшать, в то время как благоприятные объемные характеристики материалов, такие как прочность, остаются неизменными. В целом это эффективный метод модификации медицинских имплантатов сложной формы. Изменяя функциональность поверхности с помощью плазменной модификации, можно получить оптимальные поверхностные, химические и физические свойства.

Плазменная иммерсионная имплантация - это метод, подходящий для материалов с низкой температурой плавления, таких как полимеры, и широко распространенный для улучшения адгезии между слоями без пор и подложками. Конечная цель состоит в том, чтобы улучшить свойства биоматериалов, такие как биосовместимость, коррозионная стойкость и функциональность, путем изготовления различных типов биомедицинских тонких пленок с различными биологически важными элементами, такими как азот, кальций, и натрий имплантированы ими. Различные тонкие пленки, такие как оксид титана, нитрид титана, и алмазоподобный углерод ранее подвергались лечению, и результаты показывают, что обработанный материал демонстрирует лучшую биосовместимость по сравнению с некоторыми материалами, которые в настоящее время используются в биомедицинских имплантатах. Чтобы оценить биосовместимость изготовленных тонких пленок, необходимо провести исследование различных биологических сред in vitro.

Биологический ответ

Иммунная система будет реагировать по-другому, если имплантат покрыт белками внеклеточного матрикса. Белки, окружающие имплантат, служат для «скрытия» имплантата от врожденной иммунной системы. Однако если имплантат покрыт аллергенными белками, у пациента может быть инициирован адаптивный иммунный ответ . Чтобы предотвратить такую ​​негативную иммунную реакцию, могут быть назначены иммунодепрессанты или аутологичная ткань может образовать белковое покрытие.

Острый ответ

Сразу после установки имплантата (и повреждения тканей в результате операции) возникает острое воспаление . Классическими признаками острого воспаления являются покраснение, отек, жар, боль и потеря функции. Кровотечение из-за повреждения тканей приводит к образованию тромбов, которые стимулируют скрытые тучные клетки . Тучные клетки выделяют хемокины, которые активируют эндотелий кровеносных сосудов. Кровеносные сосуды расширяются и становятся негерметичными, вызывая покраснение и отек, связанные с острым воспалением. Активированный эндотелий обеспечивает экстравазацию плазмы крови и лейкоцитов, включая макрофаги, которые мигрируют к имплантату и распознают его как небиологический. Макрофаги выделяют оксиданты для борьбы с инородным телом. Если антиоксидантам не удается уничтожить инородное тело, начинается хроническое воспаление.

Хроническая реакция

Имплантация неразлагаемых материалов в конечном итоге приведет к хроническому воспалению и образованию фиброзной капсулы. Макрофаги, которые не могут уничтожить патогены, сливаются, образуя гигантскую клетку инородного тела , которая изолирует имплантат. Высокие уровни оксидантов заставляют фибробласты выделять коллаген, образуя слой фиброзной ткани вокруг имплантата.

Покрывая имплантат белками внеклеточного матрикса, макрофаги не смогут распознать имплантат как небиологический. Имплантат затем способен продолжать взаимодействовать с хозяином, влияя на окружающие ткани для достижения различных результатов. Например, имплантат может улучшить заживление, выделяя ангиогенные препараты.

Технологии изготовления

Физическая модификация

Физическая иммобилизация — это просто покрытие материала биомиметическим материалом без изменения его структуры. Различные биомиметические материалы с белками клеточной адгезии (такими как коллаген или ламинин) использовались in vitro для управления образованием новых тканей и ростом клеток. Адгезия и пролиферация клеток происходят намного лучше на поверхностях, покрытых белком. Однако, поскольку белки обычно изолированы, они с большей вероятностью вызовут иммунный ответ. Как правило, следует принимать во внимание химические качества.

Химическая модификация

Ковалентное связывание белка с полимерным трансплантатом

Щелочной гидролиз, ковалентная иммобилизация и влажный химический метод — это лишь три из многих способов химической модификации поверхности. Поверхность подготавливается с помощью поверхностной активации, при которой на полимер наносятся несколько функциональных групп для лучшего взаимодействия с белками. При щелочном гидролизе небольшие протоны диффундируют между полимерными цепями и вызывают поверхностный гидролиз, который расщепляет сложноэфирные связи. Это приводит к образованию карбоксильных и гидроксильных функциональных групп, которые могут присоединяться к белкам. При ковалентной иммобилизации к поверхности прикрепляются небольшие фрагменты белков или короткие пептиды. Пептиды очень стабильны, и исследования показали, что этот метод улучшает биосовместимость. Мокрый химический метод является одним из предпочтительных методов иммобилизации белка. Химические соединения растворяются в органическом растворе, где происходят реакции, уменьшающие гидрофобную природу полимера. Поверхностная стабильность выше при химической модификации, чем при физической адсорбции. Он также обеспечивает более высокую биосовместимость в отношении роста клеток и потока жидкости в организме.

Фотохимическая модификация

Клеточная адгезия для различных функциональных групп. OH и CONH ₂ улучшают смачивание поверхности по сравнению с COOH.

Предприняты успешные попытки прививки биомолекул к полимерам с помощью фотохимической модификации биоматериалов. Эти методы используют фотоны высокой энергии (обычно УФ) для разрыва химических связей и высвобождения свободных радикалов. Адгезию белка можно стимулировать путем благоприятного изменения поверхностного заряда биоматериала. Улучшенная адгезия белка приводит к лучшей интеграции между хозяином и имплантатом. Ма и др. сравнили адгезию клеток для различных групп поверхности и обнаружили, что OH и CONH ₂ PLLA улучшают смачиваемость больше, чем COOH.

Нанесение маски на поверхность биоматериала позволяет избирательно модифицировать поверхность. Области, через которые проникает УФ-свет, будут изменены таким образом, что клетки будут лучше прилипать к этой области.

Минимально достижимый размер объекта определяется следующим образом:

$CD=k_{1}\cdot {\frac {\lambda }{NA}}$

где

$\,CD$ это минимальный размер объекта

$\,k_{1}$ (обычно называемый коэффициентом k1 ) — это коэффициент, который объединяет факторы, связанные с процессом, и обычно равен 0,4 для производства.

$\,\lambda$ длина волны используемого света

$\,NA$ - числовая апертура линзы, если смотреть с пластины

Согласно этому уравнению, большее разрешение можно получить, уменьшив длину волны и увеличив числовую апертуру.

Композиты и формирование трансплантата

Формирование трансплантата улучшает общую гидрофильность материала за счет соотношения количества добавляемой гликолевой кислоты и молочной кислоты. Блок-полимер, или PLGA, снижает гидрофобность поверхности, контролируя количество гликолевой кислоты. Однако это не увеличивает гидрофильность материала. При прививке кистью гидрофильные полимеры, содержащие спиртовые или гидроксильные группы, наносятся на поверхности посредством фотополимеризации.

Плазменная обработка

Плазменные методы особенно полезны, поскольку они позволяют наносить ультратонкие (толщиной в несколько нм) прочные конформные покрытия. Плазма тлеющего разряда создается путем заполнения вакуума газом низкого давления (например, аргоном, аммиаком или кислородом). Затем газ возбуждается с помощью микроволн или тока, который ионизирует его. Затем ионизированный газ выбрасывается на поверхность с высокой скоростью, где вырабатываемая энергия физически и химически изменяет поверхность. После того, как изменения происходят, ионизированный плазменный газ способен вступать в реакцию с поверхностью, подготавливая ее к адгезии белка. Однако поверхности могут потерять механическую прочность или другие присущие свойства из-за большого количества энергии.

Было разработано несколько плазменных технологий для иммобилизации белков в зависимости от конечного применения полученного биоматериала. Этот метод представляет собой относительно быстрый подход к созданию умных биоактивных поверхностей.

Приложения

Костная ткань

Белки внеклеточного матрикса (ECM) в значительной степени определяют процесс формирования кости — прикрепление и пролиферацию остеогениторных клеток, дифференцировку в остеобласты, образование матрикса и минерализацию. Полезно создавать биоматериалы для устройств, контактирующих с костью, с белками костного матрикса, способствующими росту костей. Также возможно ковалентно и направленно иммобилизовать остеоиндуктивные пептиды на поверхности керамических материалов, такие как гидроксиапатит/β-трикальцийфосфат, чтобы стимулировать дифференцировку остеобластов и лучшую регенерацию кости. Было показано, что RGD-пептиды усиливают прикрепление и миграцию остеобластов на титановых имплантатах, полимерных материалах и стекле. Другие адгезивные пептиды, которые могут распознаваться молекулами клеточной мембраны, также могут влиять на связывание клеток костного происхождения. В частности, гепаринсвязывающий домен фибронектина активно участвует в специфическом взаимодействии с остеогенными клетками. Модификация доменами, связывающими гепарин, потенциально может усилить связывание остеобластов, не влияя на прикрепление эндотелиальных клеток и фибробластов. Кроме того, факторы роста, такие как те, которые входят в семейство костных морфогенных белков, являются важными полипептидами, индуцирующими костеобразование. Эти факторы роста могут быть ковалентно связаны с материалами для улучшения остеоинтеграции имплантатов.

Нервная ткань

Повреждения периферической нервной системы обычно лечат с помощью аутотрансплантата нервной ткани, чтобы заполнить разрыв. Это лечение требует успешной регенерации нервной ткани; Аксоны должны вырасти из проксимальной культи без вмешательства, чтобы установить соединение с дистальной культей. Каналы нейронного наведения (NGC) были разработаны как канал для роста новых аксонов, а на дифференцировку и морфогенез этих тканей влияет взаимодействие между нервными клетками и окружающим ЕСМ. Исследования ламинина показали, что этот белок является важным белком ЕСМ в прикреплении нервных клеток. Было показано, что пентапептиды YIGSR и IKVAV , которые являются важными последовательностями в ламинине, усиливают прикрепление нервных клеток со способностью контролировать пространственную организацию клеток.

Сердечно-сосудистая ткань

Важно, чтобы сердечно-сосудистые устройства, такие как стенты или искусственные сосудистые трансплантаты, были спроектированы так, чтобы имитировать свойства конкретного участка ткани, для замены которого используется устройство. Чтобы снизить тромбогенность, поверхности можно покрыть фибронектином и пептидами, содержащими RGD, которые способствуют прикреплению эндотелиальных клеток. Также было показано, что пептиды YIGSR и REDV улучшают прикрепление и распространение эндотелиальных клеток и в конечном итоге снижают тромбогенность имплантата.

Поверхностная белковая последовательность	Функция
РГД	Способствует адгезии клеток
Остеопонтин-1	Улучшает минерализацию остеобластами
Ламинин	Способствует росту нейритов
ГВПГИ	Улучшает механическую стабильность сосудистых трансплантатов.
РЕДВ	Усиливает адгезию эндотелиальных клеток
ЕИГСР	Способствует прикреплению нервных и эндотелиальных клеток
PHPMA-РГД	Способствует росту аксонов
ИКВАВ	Способствует прикреплению нервных клеток
ККАГДВА	Способствует адгезии гладкомышечных клеток
ВИПГИГ	Повышает модуль упругости искусственного ЕСМ.
ФКРРИКА	Улучшает минерализацию остеобластами
КРСР	Способствует адгезии остеобластов
ОТКРЫТЬ	Способствует дифференцировке остеобластов

См. также

• Покрытия из бычьего подчелюстного муцина