Het ontwerpen van Silk-zijde Protein Alloy materialen voor biomedische toepassingen
Summary
Mengen is een efficiënte benadering van biomaterialen met een breed scala van eigenschappen en gecombineerde functies te genereren. Door het voorspellen van de moleculaire interacties tussen de verschillende natuurlijke zijde proteïnen, kunnen nieuwe zijde-zijde eiwit legering platforms met instelbare mechanische veerkracht, elektrische reactie, optische transparantie, chemische verwerkbaarheid, biologische afbreekbaarheid, of thermische stabiliteit worden ontworpen.
Abstract
Vezeleiwitten scherm verschillende sequenties en structuren die zijn gebruikt voor diverse toepassingen in biomedische gebieden zoals biosensoren, nanogeneesmiddelen, weefselregeneratie en geneesmiddelafgifte. Het ontwerpen van materialen op basis van de moleculaire schaal interacties tussen deze eiwitten zal helpen bij het genereren van nieuwe multifunctionele eiwit lichtmetalen biomaterialen met instelbare eigenschappen. Dergelijke legeringen materiaalsystemen voordelen ten opzichte van traditionele synthetische polymeren geven ook samen met de materialen biologische afbreekbaarheid, biocompatibiliteit en houdbaarheid in het lichaam. Dit artikel gebruikt de proteïne mengsels van wilde tussahzijde (Antheraea pernyi) en binnenlandse moerbei zijde (Bombyx mori) als een voorbeeld om bruikbare protocollen met betrekking tot deze onderwerpen, met inbegrip van hoe je eiwit-eiwit interacties te voorspellen door computationele methoden, hoe eiwitten legering produceren bieden oplossingen, hoe lichtmetalen systemen te verifiëren door middel van thermische analyse, en hoe variabel legering materialen te fabricerenwaaronder optische materialen met diffractie roosters, elektrische materialen met circuits coatings en farmaceutische materialen voor afgifte van geneesmiddel en de levering. Deze werkwijzen kunnen belangrijke informatie voor het ontwerpen van de volgende generatie multifunctionele biomaterialen op basis van verschillende eiwitten legeringen.
Introduction
De natuur heeft strategieën ontwikkeld om afstembare en multifunctionele biologische matrices met een beperkt aantal structurele eiwitten produceren. Zo worden elastins en collagenen altijd samen in vivo de verstelbare sterke en functies voor specifieke weefsels 1,2 verschaffen. De sleutel tot deze strategie is het mengen. Mengen het mengen eiwitten met specifieke verhoudingen en is een technologische benadering van eenvoudige materiële systemen met instelbare en gevarieerde eigenschappen 3-5 te genereren. In vergelijking met synthetische strategieën 6,7 techniek kan ook mengen materiaal uniformiteit en de mogelijkheid om het materiaal verwerken vanwege het bedieningsgemak 8-16 verbeteren. Daarom is het ontwerpen van multifunctionele, biocompatibele eiwit legeringen is een opkomend gebied van medisch onderzoek. Deze technologie zal ook een systematische kennis van de invloed van natuurlijke proteïne matrices geven op cel-en weefsel functies, zowel in vitro en in vivo 10,17. Door het optimaliseren moleculaire interfaces tussen verschillende eiwitten kan-eiwit gebaseerde legeringen diverse lichaamsfuncties, zoals thermische stabiliteit bij verschillende temperaturen, elasticiteit diverse weefsels, elektrische gevoeligheid ondersteunen variabele organen en optische eigenschappen cornea weefselregeneratie 3 omvatten, 18-27. De uitkomst van deze studies zal een nieuw eiwit-materialen platform op het gebied van de biomedische wetenschappen bieden directe relevantie voor afstembare weefsel reparaties en ziekte behandelingen en verder leiden tot biologisch afbreekbare implantaten waar hun nieuwe therapeutische en diagnostische functies kunnen worden voor ogen 3.
Veel natuurlijke structurele eiwitten hebben kritische fysieke en bioactieve eigenschappen die kunnen worden benut als kandidaten voor het biomateriaal matrixen. Zijde uit verschillende soorten wormen, keratines van haren en wol, elastins en collageen uit verschillende weefsels, endiverse plantaardige eiwitten zijn enkele van de meest voorkomende structurele eiwitten gebruikt voor het ontwerpen van niet-eiwit gebaseerde materialen (Figuur 1) 18-27. In het algemeen kunnen deze eiwitten moleculaire secundaire structuren (bijvoorbeeld beta sheets voor zijde, of gewikkelde spoelen voor keratine) vanwege hun unieke repetitieve primaire aminozuursequenties 3,28-35 vormen. Deze eigenschappen bevorderen de vorming van zelf-geassembleerde macroscopische structuren met unieke functies op biologische interfaces gevraagd hun nut als een waardevolle bron van biopolymeermaterialen. Hier zijn twee soorten structurele eiwitten werden gebruikt (eiwit A van wilde tussahzijde en eiwit B van gedomesticeerde moerbei zijde als voorbeeld) om de algemene protocollen van de productie van verschillende eiwitten lichtmetalen biomaterialen demonstreren. De protocollen aangetoond onder deel 1: eiwit interactie voorspellingen en simulaties, deel 2: de productie van eiwitten legering oplossingen, en deel 3: productie van eiwitten legeringen systemen voor optische, elektrische en farmaceutische toepassingen.
Figuur 1 Grondstoffen van verschillende structurele eiwitten die vaak worden gebruikt in ons laboratorium voor het ontwerpen-eiwit gebaseerde materialen, waaronder zijde uit verschillende soorten wormen, keratines van haren en wol, elastins uit verschillende weefsels, en diverse plantaardige eiwitten.
Protocol
Representative Results
Discussion
Een van de meest kritische procedures productie "legering" eiwit systeem is de mengbaarheid van het gemengde eiwitten verifiëren. Anders is uitsluitend mengbaar eiwitmengsel of proteïne samengestelde systeem zonder stabiel en afstembare eigenschappen. Een experimentele thermische analyse methode kan worden gebruikt voor dit doel en hun legeringen eigenschappen bevestigen. Eiwit-eiwit interacties kunnen worden bekeken volgens Flory-Huggins's roostermodel 48 interactie tussen het "oplosmidd…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs danken Rowan University voor de ondersteuning van dit onderzoek. XH ook dankzij Dr David L. Kaplan aan de Tufts University en de NIH P41 Tissue Engineering Resource Center (TERC) voor de voorafgaande technische trainingen.
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).
