Designa Silk-silkesprotein Alloy Material för biomedicinska tillämpningar
Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
Protocol
Representative Results
Discussion
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…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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.
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).
