Designing Silk-silk Protein Alloy Materials for Biomedical Applications

Xiao Hu; Solomon Duki; Joseph Forys; Jeffrey Hettinger; Justin Buchicchio; Tabbetha Dobbins; Catherine Yang

doi:10.3791/50891

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Bioingegneria

जैव चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए सिल्क रेशम प्रोटीन मिश्र धातु सामग्री डिजाइनिंग

Published: August 13, 2014

doi:

10.3791/50891

Xiao Hu^2,3, Solomon Duki, Joseph Forys, Jeffrey Hettinger², Justin Buchicchio, Tabbetha Dobbins², Catherine Yang⁴

¹Department of Physics and Astronomy,Rowan University, ²Department of Biomedical and Translational Sciences,Rowan University, ³Department of Biomedical Sciences,Cooper Medical School of Rowan University, ⁴Department of Chemistry and Biochemistry,Rowan University

Summary

सम्मिश्रण गुण और संयुक्त सुविधाओं की एक व्यापक रेंज के साथ biomaterials उत्पन्न करने के लिए एक कुशल दृष्टिकोण है. विभिन्न प्राकृतिक रेशम प्रोटीन के बीच आणविक बातचीत की भविष्यवाणी करके, ट्यून करने योग्य यांत्रिक लचीलाता, बिजली प्रतिक्रिया, ऑप्टिकल पारदर्शिता, रासायनिक processability, biodegradability, या थर्मल स्थिरता के साथ नए सिल्क रेशम प्रोटीन मिश्र धातु प्लेटफार्मों बनाया जा सकता है.

Abstract

रेशेदार प्रोटीन ऐसे biosensors, nanomedicine, ऊतक पुनर्जनन, और दवा वितरण के रूप में जैव चिकित्सा के क्षेत्र में विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए इस्तेमाल किया गया है कि विभिन्न दृश्यों और संरचनाओं प्रदर्शित करते हैं. इन प्रोटीनों के बीच आणविक पैमाने पर बातचीत पर आधारित सामग्री डिजाइनिंग ट्यून करने योग्य गुणों के साथ नई multifunctional प्रोटीन मिश्र धातु biomaterials उत्पन्न करने में मदद करेगा. मिश्र धातु सामग्री सिस्टम भी कारण शरीर में सामग्री biodegradability, biocompatibility, और tenability पारंपरिक सिंथेटिक पॉलिमर की तुलना में लाभ प्रदान करते हैं. यह लेख प्रोटीन मिश्र धातु का उत्पादन करने के लिए कैसे कम्प्यूटेशनल विधियों द्वारा प्रोटीन, प्रोटीन बातचीत की भविष्यवाणी करने के लिए कैसे सहित इन विषयों के बारे में उपयोगी प्रोटोकॉल प्रदान करने के लिए एक उदाहरण के रूप में जंगली Tussah रेशम (Antheraea pernyi) और घरेलू शहतूत रेशम (Bombyx मोरी) के प्रोटीन मिश्रणों का इस्तेमाल किया समाधान, कैसे थर्मल विश्लेषण द्वारा मिश्र धातु सिस्टम को सत्यापित करने के लिए, और कैसे चर मिश्र धातु सामग्री बनानाविवर्तन gratings साथ ऑप्टिकल सामग्री, सर्किट कोटिंग्स के साथ बिजली सामग्री, और दवा रिहाई और वितरण के लिए दवा सामग्री भी शामिल है. इन विधियों विभिन्न प्रोटीन मिश्र पर आधारित अगली पीढ़ी multifunctional biomaterials डिजाइनिंग के लिए महत्वपूर्ण जानकारी प्रदान कर सकते हैं.

Introduction

प्रकृति संरचनात्मक प्रोटीन की एक सीमित संख्या का उपयोग कर ट्यून करने योग्य और multifunctional जैविक matrixes उत्पन्न करने के लिए रणनीति बनाई गई है. उदाहरण के लिए, elastins और कोलेजन हमेशा विशिष्ट ऊतकों ^1,2 के लिए आवश्यक समायोज्य शक्तियों और कार्यों प्रदान करने के लिए vivo में एक साथ किया जाता है. इस रणनीति के लिए महत्वपूर्ण सम्मिश्रण है. सम्मिश्रण विशिष्ट अनुपात के साथ मिश्रण प्रोटीन शामिल है और ट्यून करने योग्य और विभिन्न गुणों ^3-5 से आसान सामग्री सिस्टम उत्पन्न करने के लिए एक तकनीकी दृष्टिकोण है. सिंथेटिक इंजीनियरिंग रणनीतियों ^6,7 के साथ तुलना में, सम्मिश्रण भी सामग्री एकरूपता और कारण आपरेशन ^8-16 की आसानी के लिए सामग्री प्रक्रिया करने की क्षमता में सुधार कर सकते हैं. इसलिए, multifunctional, biocompatible प्रोटीन मिश्र धातु सामग्री डिजाइनिंग चिकित्सा अनुसंधान के एक उभरते क्षेत्र है. यह तकनीक भी सेल और ऊतक कार्यों वी आई टी में दोनों पर प्राकृतिक प्रोटीन matrices के प्रभाव का व्यवस्थित ज्ञान प्रदान करेगाआरओ और इन विवो ^10,17 में. विभिन्न प्रोटीन के बीच आणविक इंटरफेस अनुकूलन के द्वारा प्रोटीन आधारित मिश्र धातु ^{सामग्री,} ऐसे थर्मल अलग तापमान पर स्थिरता, चर अंगों में विविध ऊतकों, बिजली संवेदनशीलता का समर्थन करने के लिए लोच, और corneal ऊतक उत्थान ³ के लिए ऑप्टिकल गुण के रूप में शारीरिक कार्यों की एक श्रृंखला शामिल कर सकते हैं ^18-27. इन अध्ययनों के परिणाम ट्यून करने योग्य ऊतक मरम्मत और रोग के उपचार और उनके उपन्यास चिकित्सीय और नैदानिक सुविधाओं ³ की कल्पना की जा सकती है, जहां से biodegradable प्रत्यारोपण उपकरणों के लिए आगे का नेतृत्व करने के लिए प्रत्यक्ष प्रासंगिकता के साथ जैव चिकित्सा विज्ञान के क्षेत्र में एक नए प्रोटीन सामग्री मंच प्रदान करेगा.

कई प्राकृतिक संरचनात्मक प्रोटीन biomaterial matrixes के लिए उम्मीदवार के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है कि महत्वपूर्ण शारीरिक और bioactive गुण होते हैं. अलग कीड़ा प्रजातियों से रेशम, विभिन्न ऊतकों से बाल और wools, elastins और कोलेजन से keratins, औरविभिन्न संयंत्र प्रोटीन (चित्रा 1) ^18-27 चर प्रोटीन आधारित सामग्री को डिजाइन करने के लिए इस्तेमाल सबसे आम संरचनात्मक प्रोटीन की कुछ कर रहे हैं. सामान्य तौर पर, इन प्रोटीनों के कारण उनके अद्वितीय दोहराए प्राथमिक अमीनो एसिड दृश्यों ^3,28-35 के लिए अलग आणविक माध्यमिक संरचनाओं (रेशम के लिए जैसे, बीटा शीट, या keratins के लिए coiled coils) बना सकते हैं. इन सुविधाओं biopolymer सामग्री की एक क़ीमती संसाधन के रूप में उनकी उपयोगिता उत्साह जैविक इंटरफेस में विशिष्ट कार्यों के साथ आत्म इकट्ठे macroscopic संरचनाओं के गठन को बढ़ावा देने. इधर, संरचनात्मक प्रोटीन की दो प्रकार का उपयोग किया गया (जंगली Tussah रेशम और एक उदाहरण के रूप में पालतू शहतूत रेशम से प्रोटीन बी से प्रोटीन ए) विभिन्न प्रोटीन मिश्र धातु biomaterials उत्पादन के सामान्य प्रोटोकॉल का प्रदर्शन करने के लिए. प्रदर्शन प्रोटोकॉल भाग 1 में शामिल हैं: प्रोटीन बातचीत भविष्यवाणियों और सिमुलेशन, भाग 2: प्रोटीन मिश्र धातु समाधान का उत्पादन, और भाग 3: प्रोटीन मिश्र धातु का निर्माणसिस्टम और, ऑप्टिकल बिजली, और दवा अनुप्रयोगों के लिए.

चित्रा सामान्यतः, प्रोटीन आधारित सामग्री को डिजाइन अलग कीड़ा प्रजातियों से रेशम सहित के लिए हमारी प्रयोगशाला में इस्तेमाल किया जाता है कि विभिन्न संरचनात्मक प्रोटीन की 1 कच्चे माल, बाल और wools, विभिन्न ऊतकों से elastins, और विभिन्न संयंत्र प्रोटीन से keratins.

Protocol

प्रोटीन बातचीत की 1 भविष्यवाणी प्रोटीन अणुओं की बायोइनफॉरमैटिक्स विश्लेषण जैव प्रौद्योगिकी सूचना वेबसाइट के लिए राष्ट्रीय केन्द्र (www.ncbi.nlm.nih.gov/protein/) पर जाएँ, और मिश्र धातु अध्ययन के लिए उपयोग किया…

Representative Results

(प्रोटीन एक और प्रोटीन बी के बीच जैसे,) विशिष्ट प्रोटीन, प्रोटीन बातचीत प्रभारी प्रभारी (इलेक्ट्रोस्टैटिक) आकर्षण, हाइड्रोजन संबंध गठन, हाइड्रोफोबिक-हाइड्रोफिलिक बातचीत, साथ ही द्विध्रुवीय, विलाय?…

Discussion

"मिश्र धातु" प्रोटीन प्रणाली के निर्माण में सबसे महत्वपूर्ण प्रक्रियाओं में से एक मिश्रित प्रोटीन की miscibility सत्यापित करने के लिए है. अन्यथा, यह स्थिर और ट्यून करने योग्य संपत्तियों के बिना केवल एक अम?…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

लेखकों इस शोध के समर्थन के लिए रोवन विश्वविद्यालय धन्यवाद. टफ्ट्स विश्वविद्यालय में XH भी धन्यवाद डॉ डेविड एल कापलान और पिछले तकनीकी प्रशिक्षण के लिए एनआईएच P41 ऊतक इंजीनियरिंग रिसोर्स सेंटर (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

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Hu, X., Duki, S., Forys, J., Hettinger, J., Buchicchio, J., Dobbins, T., Yang, C. Designing Silk-silk Protein Alloy Materials for Biomedical Applications. J. Vis. Exp. (90), e50891, doi:10.3791/50891 (2014).