Blandning är en effektiv metod för att generera biomaterial med ett brett utbud av fastigheter och kombinerade funktioner. Genom att förutsäga de molekylära interaktioner mellan olika naturliga silkesproteiner kan nya silk-silke protein legering plattformar med avstämbara mekanisk elasticitet, elektriska svaret, optisk transparens, kemiskt bearbetbarhet, nedbrytbarhet, eller termisk stabilitet utformas.
Fibrer proteiner visa olika sekvenser och strukturer som har använts för olika tillämpningar inom biomedicinska områden som biosensorer, nanomedicin, vävnadsregenerering, och drug delivery. Utforma material baserade på molekylär skala interaktioner mellan dessa proteiner kommer att bidra till att skapa nya multifunktionella protein legering biomaterial med sökbara egenskaper. Sådana legeringsmaterialsystem ger också fördelar i jämförelse med traditionella syntetiska polymerer på grund av det material av biologisk nedbrytbarhet, biokompatibilitet, och hållbarheten i kroppen. Denna artikel använde protein blandningar av vilda tussah (Antheraea pernyi) och inhemsk mullbärssilke (Bombyx mori) som ett exempel för att ge användbara protokoll rörande dessa frågor, bland annat hur man kan förutsäga protein-proteininteraktioner med beräkningsmetoder, hur man producerar proteinlegering lösningar, hur man verifiera legeringssystem genom termisk analys, och hur man tillverka material variabla legeringinklusive optiska material med diffraktionsgitter, elektriska material med kretsar beläggningar och farmaceutiska material för läkemedelsdosering och leverans. Dessa metoder kan ge viktig information för att utforma nästa generations multifunktionella biomaterial baserade på olika protein legeringar.
Naturen har skapat strategier för att generera avstämbara och multifunktionella biologiska matriser med hjälp av ett begränsat antal strukturella proteiner. Till exempel är elastiner och kollagener används alltid tillsammans in vivo för att ge de justerbara styrkor och funktioner som krävs för specifika vävnader 1,2. Nyckeln till denna strategi är att blanda. Blandning innebär blandnings proteiner med specifika förhållanden och är en teknisk strategi för att generera enkla materialsystem med avstämbara och varierande egenskaper 3-5. Jämfört med syntetiska ingenjörsstrategier 6,7, kan blanda också förbättra material enhetlighet och förmågan att bearbeta materialet på grund av enkel användning 8-16. Därför designa multifunktionella, biokompatibla proteinlegeringsmaterial är ett framväxande område med medicinsk forskning. Tekniken kommer också att ge systematisk kunskap om effekterna av naturliga protein matriser på cell och vävnads fungerar både i vitro och in vivo 10,17. Genom att optimera molekylära gränssnitt mellan olika proteiner, kan proteinbaserade legeringsmaterial omfattar en rad fysiska funktioner, såsom termisk stabilitet vid olika temperaturer, elasticitet för att stödja olika vävnader, elektriska känslighet i rörliga organ, och optiska egenskaper för hornhinnan vävnadsregenerering 3, 18-27. Resultatet av dessa studier kommer att ge en ny proteinmaterial plattform inom området biomedicinsk vetenskap med direkt relevans för avstämbara vävnads reparationer och sjukdomsbehandlingar och vidare leda till biologiskt nedbrytbara implantatanordningar där deras nya terapeutiska och diagnostiska funktioner kan tänkas 3.
Många naturliga strukturella proteiner har kritiska fysiska och bioaktiva egenskaper som kan utnyttjas som kandidater för biomaterial matriser. Silks från olika snäckarter, keratiner från hår och ull, elastiner och gener från olika vävnader, ocholika växtproteiner är några av de vanligaste strukturella proteiner som används för att utforma rörliga proteinbaserade material (Figur 1) 18-27. I allmänhet kan dessa proteiner bildar olika molekyl sekundära strukturer (t.ex. beta ark för silke eller lindade spolar för keratiner) på grund av deras unika repetitiva primära aminosyrasekvenser 3,28-35. Dessa funktioner främja bildandet av själv monterade makroskopiska strukturer med unika funktioner på biologiska gränssnitt föranledde deras användbarhet som en värdefull resurs för biopolymera material. Här har två typer av strukturella proteiner som används (protein A från vilda tussah och protein B från domesticemullbärssilke som exempel) för att visa de allmänna protokollen för att producera olika proteinlegerings biomaterial. De protokoll visat innefattar del 1: proteininteraktioner förutsägelser och simuleringar, del 2: produktion av proteinlegeringslösningar och del 3: tillverkning av proteinlegeringsystem och för optiska, elektriska och farmaceutiska tillämpningar.
Figur 1. Råvaror av olika strukturella proteiner som vanligen används i vårt laboratorium för att utforma proteinbaserade material, inklusive silke från olika snäckarter, keratiner från hår och ull, elastiner från olika vävnader och olika växtproteiner.
En av de mest kritiska förfaranden producera "legering" protein-systemet är att kontrollera blandbarheten hos de blandade proteiner. Annars är det bara en oblandbar proteinblandning eller protein sammansatt system utan stabila och avstämbara egenskaper. En experimentell termisk analys metod kan användas för detta ändamål och för att bekräfta sina legeringsegenskaper. Protein-proteininteraktioner kan ses enligt Flory-Huggins s gittermodell 48 samspel mellan "lösningsmedel" (den d…
The authors have nothing to disclose.
Författarna tackar Rowan University för att stödja denna forskning. XH också tack vare Dr David L. Kaplan vid Tufts University och NIH P41 Tissue Engineering Resource Center (TERC) för tidigare tekniska utbildningar.
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 |