Biyomedikal Uygulamalar için İpek-ipek Protein Alaşım Materyalleri Tasarlama
Summary
Karıştırma özellikleri ve kombine özellikleri geniş bir yelpazesi ile biyomalzemeleri oluşturmak için etkili bir yaklaşımdır. Farklı doğal ipek proteinleri arasındaki moleküler etkileşimlerin tahmin eden, ayarlanabilir mekanik dayanıklılık, elektriksel tepkinin, optik saydamlık, kimyasal işlenebilirliği, biyolojik olarak ya da bir termal stabilitesi olan yeni bir ipek-ipek proteini alaşım platformları tasarlanabilir.
Abstract
Lifli proteinler, biyosensörler, nanotıpta, doku rejenerasyonu ve ilaç dağıtım gibi biyomedikal alanlarda çeşitli uygulamalar için kullanılmaktadır farklı dizileri ve yapıları görüntüler. Bu proteinler arasındaki moleküler ölçekli etkileşim dayalı materyal tasarımı ayarlanabilir özelliklere sahip yeni çok fonksiyonlu bir protein alaşım biyomalzemeleri oluşturmak yardımcı olacaktır. Bu alaşım malzeme sistemleri, aynı zamanda, vücut içinde biyolojik olarak malzeme, biyolojik uyumluluk ve Tutulabilirlik geleneksel sentetik polimerler ile karşılaştırıldığında avantajlar sağlamaktadır. Bu makalede, protein alaşımı üretmek için nasıl hesaplama yöntemleri, protein-protein etkileşimleri tahmin nasıl dahil olmak üzere bu konularda, ilgili yararlı protokolleri sağlamak için bir örnek olarak yabani tussah ipek (Antheraea pernyi) ve yerli dut ipek (Bombyx mori) protein karışımları kullanılır çözeltiler, ne kadar termal analiz ile alaşım sistemlerini doğrulamak ve nasıl değişken alaşımlar imal edilmesi içinkırınım mazgallar ile optik malzemeler, devreler kaplamalar ile elektrik malzemeleri ve ilaç salımı ve teslimat için ilaç malzemeleri dahil. Bu yöntemler, farklı protein alaşımları dayalı yeni nesil çok fonksiyonlu biyomalzemelerinin tasarımı için önemli bilgiler sağlayabilir.
Introduction
Nature, yapısal proteinlerin sınırlı bir miktarı kullanılarak ayarlanabilir ve çok fonksiyonlu biyolojik matrisler oluşturmak için stratejiler yaratmıştır. Örneğin, elastinler ve kolajenler her zaman belirli dokular için gerekli olan 1,2 ayarlanabilir güçlü ve işlevleri sağlamak üzere in vivo olarak birlikte kullanılır. Bu stratejiye anahtarı karıştırma olduğunu. Karıştırma belirli oranlarda karıştırılarak proteinleri içerir ve ayarlanabilir ve çeşitli özellikleri 3-5 ile basit malzeme sistemleri üretmek için teknolojik bir yaklaşımdır. Sentetik mühendislik stratejileri 6,7 ile karşılaştırıldığında, karıştırma aynı zamanda malzeme tekdüzelik nedeniyle operasyon 8-16 kolaylığı malzemeyi işlemek için yeteneğinizi artırabilir. Bu nedenle, çok fonksiyonlu, biyouyumlu protein alaşımlı malzeme tasarımı tıbbi araştırma gelişmekte olan bir alandır. Bu teknoloji aynı zamanda hücre ve doku fonksiyonlarının vit hem de doğal protein matrislerin etkisini sistematik bilgi sağlayacaktırro ve in vivo 10,17 olarak. Farklı proteinler arasında molekül arayüzleri optimize ederek, protein bazlı alaşımlar ve termal farklı sıcaklıklarda stabilite, değişken organlarda çeşitli dokulara elektrik duyarlılık desteklemek için elastikiyet, ve korneal doku rejenerasyonu 3 optik özellikleri gibi fiziksel fonksiyon, bir dizi kapsayabilir 18-27. Bu çalışmaların sonucu ayarlanabilir doku onarımları ve hastalık tedavileri ve yeni tedavi ve tanı özellikleri 3 tasavvur edilebilir, biyobozunur implant cihazlar için daha fazla kurşun ile doğrudan ilgili biyomedikal bilim alanında yeni bir protein malzemeler platform sağlayacaktır.
Birçok doğal yapısal proteinler biyomalzeme matrisler adaylar olarak istismar edilebilir kritik fiziksel ve biyoaktif özelliklere sahip. Farklı kurtlara ipekler, farklı dokulardan tüyleri ve yünler, elastinler ve kollajenler gelen keratinlerden veÇeşitli bitki proteinleri (Şekil 1) 18-27 değişken protein bazlı malzemeler dizayn etmek için kullanılan en yaygın yapısal proteinler arasında. Genel olarak, bu proteinler dolayı eşsiz tekrarlanan primer amino asit dizilerine 3,28-35 ancak farklı bir molekül ikincil yapılar (örneğin ipek, beta yaprak veya keratinlerden için sarılmış bobinler) oluşturabilir. Bu özellikler biyopolimer malzeme değerli bir kaynak olarak kullanımları isteyen biyolojik arayüzlerde benzersiz işlevleri ile kendinden düzenlenen makroskopik yapıların oluşumunu teşvik eder. Burada, yapısal proteinlerin iki tür kullanılmıştır (yabani tussah ipek ve örnek olarak evcil dut ipek protein B proteini A), çeşitli protein biyo materyaller alaşım üretilmesi genel protokoller göstermek için. Göstermiştir protokolleri bölümünü 1 şunlardır: protein etkileşim tahminler ve simülasyonları, bölüm 2: Protein alaşımlı çözümleri üretimi ve parçası 3: Protein alaşımın imalatısistemleri ve optik, elektrik ve ilaç uygulamaları için.
Şekil yaygın, protein bazlı materyal tasarımı farklı solucan türlerin ipek dahil olmak üzere laboratuvarda kullanılan çeşitli yapısal proteinlerin 1. Hammadde, tüyleri ve yünler, farklı dokulardan elastinler ve çeşitli bitki proteinlerden keratinlerden.
Protocol
Representative Results
Discussion
"Alaşım" Protein sisteminin üretiminde en kritik prosedürlerin biri harmanlanmış proteinlerin karışabilirliği doğrulanmasıdır. Aksi takdirde, kararlı ve ayarlanabilir özellikleri olmayan, ancak, bir karışmayan bir protein ya da protein karışımı, bileşik sistemidir. Deneysel termal analiz yöntemi, bu amaç için kullanılabilir ve bunların alaşım özelliklerini teyit etmek için. Protein-protein etkileşimleri Flory-Huggins en kafes "çözücü" (protein bileşeninin baskın) …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar bu araştırma desteği için Rowan University teşekkür ederim. Tufts Üniversitesi'nde XH ayrıca teşekkür Dr David L. Kaplan ve önceki teknik eğitimler için NIH P41 Doku Mühendisliği Kaynak Merkezi (TERC).
Materials
| Q100 Differential Scanning Calorimeters (DSC) | TA Instruments, New Castle, DE, USA |
N/A | You can use any type of DSC with a software to calculate the heat capacity |
| SS30T Vacuum Sputtering System | T-M Vacuum Products, Inc., Cinnaminson, NJ, USA | N/A | With custom built parts; You can use any type of sputtering system to coat |
| VWR 1415M Vacuum Oven | VWR International, Bridgeport, NJ, USA | N/A | You can use any type of vacuum oven to physically crosslink the samples |
References
- Rosenbloom, J., et al. Extracellular matrix 4: The elastic fiber. FASEB J. 7, 1208-1218 (1993).
- Traub, W., et al. On the molecular structure of collagen. Nature. 221, 914-917 (1969).
- Hu, X., et al. Protein-Based Composite Materials. Materials Today. 15, 208-215 (2012).
- Hardy, J. G., Scheibel, T. R. Composite materials based on silk proteins. Progress in Polymer Science. 35, 1093-1115 (2010).
- Kidoaki, S., et al. Mesoscopic spatial designs of nano- and microfiber meshes for tissue-engineering matrix and scaffold based on newly devised multilayering and mixing electrospinning techniques. Biomaterials. 26, 37-46 (2005).
- Teng, W. B., et al. Recombinant silk-elastin like protein polymer displays elasticity comparable to elastin. Biomacromolecules. 10, 3028-3036 (2009).
- Foo, C. W. P., Kaplan, D. L. Genetic engineering of fibrous proteins, spider dragline, silk and collagen. Adv Drug Delivery Rev. 54, 1131-1143 (2002).
- Hu, X., et al. Charge-Tunable Autoclaved Silk-Tropoelastin Protein Alloys That Control Neuron Cell Responses. Adv. Funct. Mater. 23, 3875-3884 (2013).
- Hu, X., et al. Biomaterials derived from silk-tropoelastin protein systems. Biomaterials. 31, 8121-8131 (2010).
- Hu, X., et al. The influence of elasticity and surface roughness on myogenic and osteogenic-differentiation of cells on silk-elastin biomaterials. Biomaterials. 32, 8979-8989 (2011).
- Hu, X., et al. Biomaterials from ultrasonication-induced silk fibroin-hyaluronic acid hydrogels. Biomacromolecules. 11, 3178-3188 (2010).
- Gil, E. S., et al. Swelling behavior and morphological evolution of mixed gelatin/silk fibroin hydrogels. Biomacromolecules. 6, 3079-3087 (2005).
- Lu, Q., et al. Green process to prepare silk fibroin/gelatin biomaterial scaffolds. Macromol. Biosci. 10, 289-298 (2010).
- Lu, S., et al. Insoluble and flexible silk films containing glycerol. Biomacromolecules. 11, 143-150 (2010).
- Mandal, B. B., et al. Silk fibroin/polyacrylamide semi-interpenetrating network hydrogels for controlled drug release. Biomaterials. 30, 2826-2836 (2009).
- Yeo, I. S., et al. Collagen-based biomimetic nanofibrous scaffolds, preparation and characterization of collagen/silk fibroin bicomponent nanofibrous structures. Biomacromolecules. 9, 1106-1116 (2008).
- Holst, J., et al. Substrate elasticity provides mechanical signals for the expansion of hemopoietic stem and progenitor cells. Nat. Biotechnol. 28, 1123-1128 (2010).
- Omenetto, F. G., Kaplan, D. L. New Opportunities for an Ancient Material. Science. 329, 528-531 (2010).
- Qin, G., et al. Mechanism of resilin elasticity. Nature Communications. 3, 1003 (2012).
- Rockwood, D. N., et al. Materials fabrication from Bombyx mori silk fibroin. Nat. Protocols. 6, 1612-1631 (2011).
- Wise, S. G., et al. Engineered tropoelastin and elastin-based biomaterials. Adv Protein Chem Struct Biol. 78, 1-24 (2009).
- Amsden, J. J., et al. Rapid nanoimprinting of silk fibroin films for biophotonic applications. Adv. Mater. 22, 1746-1749 (2010).
- Lawrence, B. D., et al. Silk film biomaterials for cornea tissue engineering. Biomaterials. 30, 1299-1308 (2009).
- Kim, D. H., et al. Dissolvable films of silk fibroin for ultrathin conformal bio-integrated electronics. Nat. Mater. 9, 511-517 (2010).
- Zhang, J., et al. Stabilization of vaccines and antibiotics in silk and eliminating the cold chain. Proc Natl Acad Sci U S A. 109, 11981-11986 (2012).
- Pritchard, E. M., et al. Effect of silk protein processing on drug delivery from silk films. Macromolecular Bioscience. 13, 311-320 (2013).
- Lammel, A. S., et al. Controlling silk fibroin particle features for drug delivery. Biomaterials. 31, 4583-4591 (2010).
- Urry, D. W. Physical chemistry of biological free energy transduction as demonstrated by elastic protein-based polymers. J Phys Chem B. 101, 11007-11028 (1997).
- Shao, Z., Vollrath, F. Materials: Surprising strength of silkworm silk. Nature. 418, 741-741 (2002).
- Jin, H. J., Kaplan, D. L. Mechanism of silk processing in insects and spiders. Nature. 424, 1057-1061 (2003).
- Hu, X., et al. Determining Beta-Sheet Crystallinity in Fibrous Proteins by Thermal Analysis and Infrared Spectroscopy. Macromolecules. 39, 6161-6170 (2006).
- Hu, X., et al. Dynamic Protein-Water Relationships during β-Sheet Formation. Macromolecules. 41, 3939-3948 (2008).
- Hu, X., et al. Microphase separation controlled beta-sheet crystallization kinetics in fibrous proteins. Macromolecules. 42, 2079-2087 (2009).
- Cebe, P., et al. Beating the Heat – Fast Scanning Melts Beta Sheet Crystals. Scientific Reports. 3, 1130 (2013).
- Pyda, M., et al. Heat Capacity of Silk Fibroin Based on the Vibrational Motion of Poly(amino acid)s in the Presence and Absence of Water. Macromolecules. 41, 4786-4793 (2008).
- Buxton, G. A., et al. A lattice spring model of heterogeneous materials with plasticity. Model. Simul. Mater. Sci. Eng. 9, 485-497 (2001).
- Buxton, G. A., Balazs, A. C. Modeling the dynamic fracture of polymer blends processed under shear. Phys. Rev. B. 69, 054101 (2004).
- Kolmakov, G. V., et al. Harnessing labile bonds between nanogel particles to create self-healing materials. ACS Nano. 3, 885-892 (2009).
- Duki, S. F., et al. Modeling the nanoscratching of self-healing materials. J. Chem. Phys. 134, 084901 (2011).
- Bell, G. I. Models for the specific adhesion of cells to cells. Science. 200, 618-627 (1978).
- Bell, G. I., et al. Cell adhesion. Competition between nonspecific repulsion and specific bonding. Biophys. J. 45, 1051-1064 (1984).
- Wang, Q., et al. Effect of various dissolution systems on the molecular weight of regenerated silk fibroin. Biomacromolecules. 14, 285-289 (2013).
- Wray, L. S., et al. Effect of processing on silk-based biomaterials: reproducibility and biocompatibility. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 99, 89-101 (2011).
- Lawrence, B. D., et al. Silk film culture system for in vitro analysis and biomaterial design. J. Vis. Exp. (62), e3646 (2012).
- Hu, X., et al. Regulation of Silk Material Structure by Temperature-Controlled Water Vapor Annealing. Biomacromolecules. 12, 1686-1696 (2011).
- Yucel, T., et al. Vortex-induced injectable silk fibroin hydrogels. Biophys J. 97, 2044-2050 (2009).
- Yucel, T., et al. Non-equilibrium silk fibroin adhesives. J Struct Biol. 170, 406-412 (2010).
- Flory, P. J. . Principles of polymer chemistry. , (1953).
- Chen, H., et al. Thermal properties and phase transitions in blends of Nylon-6 with silk fibroin. J Therm Anal Calorim. 93, 201-206 (2008).
- Scabarozi, T. H., et al. Epitaxial growth and electrical-transport properties of Ti7Si2C5 thin films synthesized by reactive sputter deposition. Scripta Materialia. 65, 811-814 (2011).
- Tao, H., et al. Silk materials-a road to sustainable high technology. Adv Mater. 24, 2824-2837 (2012).
- Annabi, N., et al. Cross-linked open-pore elastic hydrogels based on tropoelastin, elastin and high pressure CO2. Biomaterials. 31, 1655-1665 (2010).
- Moll, R., et al. The human keratins: biology and pathology. Histochem Cell Biol. 129, 705-733 (2008).
