تصميم بروتين الحرير الحرير المواد سبيكة للتطبيقات الطبية الحيوية
Summary
المزج هو نهج فعال لتوليد الحيوية مع مجموعة واسعة من الخصائص والميزات مجتمعة. من خلال التنبؤ التفاعلات الجزيئية بين مختلف بروتينات الحرير الطبيعي، والحرير، والحرير البروتين منصات سبيكة جديدة مع مرونة الانضباطي الميكانيكية والكهربائية الاستجابة والشفافية البصرية، للتجهيز الكيميائية والتحلل البيولوجي، أو الاستقرار الحراري يمكن تصميم.
Abstract
عرض البروتينات الليفية متواليات والهياكل المختلفة التي استخدمت لمختلف التطبيقات في مجالات الطب الحيوي مثل أجهزة الاستشعار، لطب النانوي، وتجديد الأنسجة، وتسليم المخدرات. والمواد على أساس التفاعلات المستوى الجزيئي بين هذه البروتينات تساعد على توليد تصميم متعدد الوظائف الحيوية سبيكة البروتين جديدة ذات خصائص الانضباطي. كما توفر هذه النظم المواد سبائك المزايا بالمقارنة مع البوليمرات الاصطناعية التقليدية بسبب التحلل البيولوجي المواد، توافق مع الحياة، وtenability في الجسم. استخدمت هذه المادة يمزج بروتين الحرير البري التوسة دودة (Antheraea pernyi) والحرير والتوت المحلي (Bombyx موري) كمثال لتوفير بروتوكولات مفيدة حول هذا الموضوع، بما في ذلك كيفية التنبؤ البروتين البروتين التفاعلات بالطرق الحسابية، وكيفية إنتاج سبائك البروتين الحلول، وكيفية التحقق من أنظمة سبائك بواسطة التحليل الحراري، وكيفية افتعال السبائك متغيربما في ذلك المواد البصرية مع حواجز شبكية حيود والمواد الكهربائية مع الدوائر الطلاء، والمواد الصيدلانية لإطلاق المخدرات والتسليم. يمكن لهذه الأساليب أن توفر معلومات هامة عن تصميم الجيل القادم متعددة الوظائف الحيوية استنادا سبائك بروتين مختلفة.
Introduction
خلقت طبيعة الاستراتيجيات لتوليد مصفوفات بيولوجية الانضباطي ومتعددة الوظائف باستخدام عدد محدود من البروتينات الهيكلية. على سبيل المثال، تستخدم دائما المرنين والكولاجين في الجسم الحي معا لتوفير القوة قابلة للتعديل والمهام المطلوبة لأنسجة معينة 1،2. المفتاح لهذه الاستراتيجية هو المزج. يتضمن مزج خلط البروتينات مع نسب محددة وهو نهج التكنولوجي لتوليد مواد بسيطة مع أنظمة الانضباطي وخصائص متنوعة 3-5. مقارنة مع 6،7 استراتيجيات الهندسة الاصطناعية، ويمكن مزج أيضا تحسين التوحيد المادية والقدرة على معالجة المواد نظرا لسهولة التشغيل 8-16. لذا، وتصميم متعددة الوظائف، حيويا السبائك البروتين هو المجال الناشئ للبحوث الطبية. وهذه التكنولوجيا أيضا أن توفر المعرفة المنهجية لتأثير مصفوفات البروتين الطبيعية على وظائف الخلايا والأنسجة في كل من فيتامينريال عماني والحية 10،17. عن طريق تحسين واجهات الجزيئية بين مختلف البروتينات، يمكن السبائك القائم على البروتين تشمل مجموعة من الوظائف الجسدية، مثل الاستقرار الحراري عند درجات حرارة مختلفة، ومرونة لدعم الأنسجة المختلفة، والحساسية الكهربائية في أجهزة متغيرة، والخصائص البصرية للتجديد الأنسجة القرنية 3، 18-27. ونتائج هذه الدراسات توفر منصة المواد البروتينية جديدة في مجال العلوم الطبية الحيوية ذات الصلة المباشرة إصلاح الأنسجة الانضباطي وعلاجات المرض وتؤدي إلى مزيد من زرع الأجهزة القابلة للتحلل حيث الميزات العلاجية والتشخيصية الجديدة التي يمكن تصور 3.
العديد من البروتينات الهيكلية الطبيعية لها خصائص الفيزيائية والحيوية النشطة الحرجة التي يمكن استغلالها كمرشحين للمصفوفات بيولوجية. الحرير من دودة الأنواع المختلفة، keratins من الشعر والصوف، المرنين والكولاجين من الأنسجة المختلفة، ومختلف البروتينات النباتية هي بعض من البروتينات الهيكلية الأكثر شيوعا التي تستخدم لتصميم المواد القائمة على البروتين متغيرة (الشكل 1) 18-27. بشكل عام، يمكن لهذه البروتينات شكل مختلف الهياكل الجزيئية الثانوية (على سبيل المثال، وصحائف بيتا الحرير، أو لفائف ملفوف لkeratins) بسبب فريدة من نوعها المتكررة الأساسي سلاسل الأحماض الأمينية 3،28-35. هذه الميزات تشجيع تشكيل الهياكل العيانية الذاتي تجميعها مع وظائف فريدة من نوعها في واجهات البيولوجية مما دفع فائدتها كمورد عزيز مواد البوليمر الحيوي. هنا، تم استخدام نوعين من البروتينات الهيكلية (البروتين من الحرير التوسة دودة البرية والمستأنسة البروتين B من الحرير التوت كمثال) لإظهار البروتوكولات العامة لانتاج مختلف المواد الحيوية سبيكة البروتين. وتشمل البروتوكولات أظهرت جزء 1: توقعات التفاعل البروتين والمحاكاة، جزء 2: إنتاج حلول سبيكة البروتين، وجزء 3: تصنيع سبائك البروتينالنظم والتطبيقات البصرية والكهربائية، والأدوية.
الرقم 1. المواد الخام من البروتينات الهيكلية المختلفة التي يشيع استخدامها في المختبر لدينا لتصميم المواد القائمة على البروتين، بما في ذلك الحرير من دودة الأنواع المختلفة، keratins من الشعر والصوف، المرنين من الأنسجة المختلفة، ومختلف البروتينات النباتية.
Protocol
Representative Results
Discussion
أحد الإجراءات الأكثر أهمية في إنتاج "سبائك" نظام البروتين هو للتحقق من امتزاج البروتينات المخلوطة. خلاف ذلك، فإنه ليست سوى خليط من البروتين أو البروتين نظام مركب إمتزاج دون خصائص مستقرة والانضباطي. طريقة التحليل الحراري التجريبي يمكن استخدامها لهذا الغرض وللت?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الكتاب أشكر جامعة روان لدعم هذا البحث. XH أيضا بفضل الدكتور ديفيد كابلان L. في جامعة تافتس والأنسجة NIH P41 مركز الموارد الهندسية (TERC) للتدريبات الفنية السابقة.
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).
