Concevoir protéines de soie soie Matériaux alliage pour applications biomédicales
Summary
Le mélange est une approche efficace pour générer des biomatériaux avec un large éventail de propriétés et caractéristiques combinées. En prévision des interactions moléculaires entre les différentes protéines de soie naturelle, de nouvelles plates-formes en alliage de protéines de soie de soie avec la résilience accordable mécanique, réponse électrique, transparence optique, au traitement chimique, la biodégradabilité, ou la stabilité thermique peuvent être conçus.
Abstract
Les protéines fibreuses afficher différentes séquences et des structures qui ont été utilisés pour diverses applications dans le domaine biomédical, tels que les biocapteurs, la nanomédecine, la régénération des tissus, et la délivrance de médicaments. Matériaux sur la base des interactions à l'échelle moléculaire entre ces protéines Conception permettra de générer de nouveaux biomatériaux multifonctionnel en alliage de protéines avec des propriétés accordables. De tels systèmes de matériaux d'alliage offrent également des avantages par rapport aux polymères synthétiques traditionnelles en raison de la biodégradabilité des matériaux, de biocompatibilité, et sa tenue dans le corps. Cet article a utilisé les mélanges de protéines de soie sauvage de tussah (Antheraea de pernyi) et domestique mûrier soie (Bombyx mori), par exemple, de fournir des protocoles utiles sur ces sujets, y compris la façon de prédire les interactions protéine-protéine par des méthodes de calcul, la façon de produire un alliage de protéines solutions, comment vérifier les systèmes d'alliage par analyse thermique, et la façon de fabriquer des matériaux d'alliage variablesy compris les matériaux optiques à réseaux de diffraction, des matériaux à des circuits électriques, des revêtements et des matériaux pharmaceutiques pour la libération du médicament et de la livraison. Ces méthodes peuvent fournir des informations importantes pour la conception des biomatériaux multifonctions de nouvelle génération basé sur différents alliages de protéines.
Introduction
La nature a créé des stratégies pour générer des matrices biologiques accordables et multifonctions utilisant un nombre limité de protéines structurales. Par exemple, élastines et les collagènes sont toujours utilisés ensemble in vivo pour fournir les forces réglables et fonctions requises pour les tissus spécifiques 1,2. La clé de cette stratégie est le mélange. Mélange consiste à mélanger des protéines ayant des rapports spécifiques et une approche technologique pour produire des systèmes de matériaux simples avec accordable et propriétés variées 3-5. En comparaison avec les stratégies d'ingénierie de synthèse 6,7, le mélange peut également améliorer l'uniformité de la matière et la capacité de traiter la matière en raison de la facilité d'utilisation 8-16. Par conséquent, la conception de matériaux multifonctionnels, biocompatibles alliage de protéine est un domaine émergent de la recherche médicale. Cette technologie fournira également la connaissance systématique de l'impact des matrices de protéines naturelles sur les fonctions cellulaires et tissulaires, tant en vitro et in vivo 10,17. En optimisant les interfaces moléculaires entre les protéines différentes, les alliages à base de protéines peuvent englober une gamme de fonctions physiques, telles que la stabilité thermique à des températures différentes, l'élasticité de soutenir divers tissus, la sensibilité électrique dans les organes variables, et les propriétés optiques de la cornée la régénération des tissus 3, 18-27. Le résultat de ces études fournira une nouvelle plate-forme de protéines-matériaux dans le domaine des sciences biomédicales en rapport direct avec la réparation des tissus accordables et le traitement des maladies et d'autres conduisent à des dispositifs d'implants biodégradables où leurs caractéristiques thérapeutiques et diagnostiques nouvelles peuvent être envisagées 3.
Beaucoup de protéines structurales naturelles ont des propriétés physiques et bioactifs critiques qui peuvent être exploités comme des candidats pour les matrices de biomatériaux. Soies de différentes espèces de vers, les kératines de poils et laines, élastines et les collagènes de différents tissus, etdiverses protéines végétales sont quelques-unes des protéines structurales les plus couramment utilisés pour la conception de matériaux à base de protéines variables (Figure 1) 18-27. En général, ces protéines peuvent former des structures moléculaires secondaires (par exemple, des feuillets bêta, ou de soies bobines enroulées pour les kératines) en raison de leurs répétitives des séquences d'acides aminés primaires uniques 3,28-35. Ces caractéristiques favorisent la formation de structures macroscopiques auto-assemblés avec des fonctions uniques à des interfaces biologiques incitant leur utilité en tant que ressource précieuse de matières de biopolymère. Ici, deux types de protéines structurales ont été utilisés (protéine A de soie tussah sauvage et la protéine B de pantouflard soie du mûrier, par exemple) pour démontrer les protocoles généraux de la production de divers biomatériaux en alliage de protéines. Les protocoles comprennent démontré partie 1: les prédictions d'interactions protéiques et des simulations, partie 2: la production de solutions d'alliages de protéines, et la partie 3: la fabrication d'un alliage de protéineset des systèmes pour des applications optiques, électriques et pharmaceutiques.
Figure 1: Les matières premières de différentes protéines de structure qui sont couramment utilisés dans notre laboratoire pour la conception de matériaux à base de protéines, y compris les soies à partir de différentes espèces de vers, les kératines de poils, la laine et les élastines de différents tissus, et diverses protéines végétales.
Protocol
Representative Results
Discussion
L'une des procédures les plus critiques dans la production de système de protéine "alliage" est de vérifier la miscibilité de mélanges de protéines. Dans le cas contraire, il est seulement un système de composite de mélange de la protéine ou protéine non miscible sans propriétés stables et réglables. Procédé d'analyse thermique expérimental peut être utilisé à cette fin et pour confirmer les propriétés de l'alliage. Les interactions protéine-protéine peuvent être considér?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs remercient la Rowan University pour le soutien de cette recherche. XH aussi grâce Dr David L. Kaplan à l'Université Tufts et le NIH P41 Tissue Resource Center Engineering (TERC) pour les formations techniques précédentes.
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 |
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