Projetando proteína de seda-seda liga Materiais para aplicações biomédicas
Summary
A mistura é uma abordagem eficiente para gerar biomateriais com uma ampla gama de propriedades e as características combinadas. Ao prever as interações moleculares entre diferentes proteínas da seda natural novas silk-seda plataformas liga proteína com resiliência ajustável mecânica, resposta elétrica, transparência óptica, processamento químico, biodegradabilidade ou estabilidade térmica pode ser projetado.
Abstract
As proteínas fibrosas exibir diferentes seqüências e estruturas que têm sido utilizados para diversas aplicações em áreas biomédicas, tais como biossensores, nanomedicina, regeneração de tecidos e entrega da droga. Concepção de materiais com base nas interações em escala molecular entre estas proteínas irá ajudar a gerar novos biomateriais liga proteína multifuncional com propriedades ajustáveis. Tais sistemas de materiais de liga também proporcionar vantagens em relação aos polímeros sintéticos tradicionais devido à biodegradabilidade materiais, biocompatibilidade, e Viabilidade no corpo. Este artigo usou as misturas de proteína de seda selvagem tussah (Antheraea pernyi) e doméstico amoreira seda (Bombyx mori) como um exemplo para fornecer protocolos úteis em relação a esses temas, incluindo como prever as interações proteína-proteína por métodos computacionais, como para a produção de ligas de proteína soluções, como verificar sistemas de ligas por análise térmica, e como fabricar ligas variáveisincluindo materiais ópticos com redes de difração, materiais elétricos com revestimentos circuitos e materiais farmacêuticos para liberação da droga e entrega. Estes métodos podem fornecer informações importantes para a concepção de a próxima geração de biomateriais multifuncionais baseados em ligas diferentes de proteínas.
Introduction
Natureza criou estratégias para gerar matrizes biológicas sintonizáveis e multifuncionais, utilizando um número limitado de proteínas estruturais. Por exemplo, a elastina e colagénio são sempre utilizados em conjunto in vivo para proporcionar as forças ajustáveis e funções necessárias para tecidos específicos 1,2. A chave para esta estratégia é a mistura. Blending envolve a mistura de proteínas com proporções específicas e é uma abordagem tecnológica para gerar sistemas de materiais simples com sintonizável e propriedades variadas 3-5. Comparada com as estratégias de engenharia sintéticos 6,7, a mistura também pode melhorar a uniformidade de material e a capacidade de processamento do material, devido à facilidade de operação 8-16. Portanto, a concepção multifuncionais, biocompatíveis e ligas de proteína é uma área emergente de pesquisa médica. Esta tecnologia também proporcionará um conhecimento sistemático do impacto das matrizes proteicas naturais em funções das células e dos tecidos, tanto em vitro e in vivo 10,17. Ao optimizar as interfaces entre as proteínas moleculares diferentes, os materiais de liga à base de proteínas podem abranger uma gama de funções físicas, tais como a estabilidade térmica a temperaturas diferentes, a elasticidade para suportar diversos tecidos, sensibilidade eléctrica variável de órgãos, e propriedades ópticas para a regeneração do tecido da córnea 3, 18-27. O resultado desses estudos irá fornecer uma nova plataforma de proteína-materiais no campo da ciência biomédica com relevância direta para reparação de tecidos ajustáveis e tratamentos de doenças e ainda levar a dispositivos de implantes biodegradáveis, onde suas características diagnósticas e terapêuticas inovadoras podem ser vislumbradas 3.
Muitas proteínas estruturais naturais têm propriedades físicas e bioativos essenciais que podem ser exploradas como candidatos para as matrizes de biomateriais. Silks de diferentes espécies de vermes, queratinas dos cabelos e lãs, elastins e colágenos de tecidos diferentes, evárias proteínas de plantas são algumas das proteínas estruturais mais comuns utilizados para a concepção de materiais à base de proteínas variáveis (Figura 1), 18-27. Em geral, estas proteínas podem formar diferentes estruturas moleculares secundários (por exemplo, folhas beta para sedas, ou bobinas enroladas para queratinas), devido às suas sequências únicas repetitivas amino primário de ácido 3,28-35. Estas características promovem a formação de estruturas macroscópicas auto-organizadas com funções originais em interfaces biológicas solicitando a sua utilidade como um recurso precioso de materiais biopolímeros. Aqui, foram utilizados dois tipos de proteínas estruturais (a partir de uma proteína de seda tussah selvagem e B a partir de proteína de seda amoreira domesticados como exemplo) para demonstrar os protocolos gerais de produção de vários biomateriais liga proteína. Os protocolos demonstradas incluem parte 1: previsões de interação proteína e simulações, Parte 2: produção de soluções de liga leve de proteínas e parte 3: fabricação de liga de proteínasistemas e para aplicações ópticas, elétricas e farmacêuticos.
Figura 1: Matérias-primas de diversas proteínas estruturais que são comumente usados em nosso laboratório para a concepção de materiais à base de proteínas, incluindo sedas de diferentes espécies de vermes, queratinas dos cabelos e lãs, elastins de tecidos diferentes, e várias proteínas vegetais.
Protocol
Representative Results
Discussion
Um dos processos mais críticos na produção de proteínas do sistema "liga" é para verificar a miscibilidade das proteínas combinadas. Caso contrário, é apenas uma mistura de proteína ou proteína sistema composto imiscíveis sem propriedades estáveis e ajustáveis. Um método de análise térmica experimental pode ser utilizado para este fim e para confirmar as suas propriedades da liga. Interacções proteína-proteína pode ser visualizada de acordo com o modelo de Flory-Huggins estrutura <sup…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores agradecem a Universidade Rowan para apoio a esta pesquisa. XH também graças Dr. David L. Kaplan, da Universidade Tufts e do NIH P41 Tissue Resource Center Engenharia (TERC) para treinamentos técnicos anteriores.
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 |
Riferimenti
- 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).
