Проектирование Silk-протеинов шелка и сплавы для биомедицинских применений
Summary
Смешивание является эффективным подходом к генерации биоматериалы с широким диапазоном свойств и комбинированных функций. По прогнозирования молекулярных взаимодействий между различными естественно протеинами шелка, новые шелк-шелк сплава белок платформы с перестраиваемой механической упругостью, электрического ответа, оптической прозрачности, химической технологичности, способности к биологическому разложению, или термической стабильности могут быть разработаны.
Abstract
Волокнистые белки отображения различных последовательностей и структур, которые были использованы для различных применений в биомедицинских областях, таких как биосенсоры, наномедицины, регенерации тканей и доставки лекарств. Проектирование материалов на основе молекулярного масштаба взаимодействий между этими белками поможет генерировать новые многофункциональные сплава белок биоматериалов с перестраиваемой свойств. Такие сплава системы также обеспечивают преимущества по сравнению с традиционными синтетическими полимерами в результате к биологическому разложению материалов, биосовместимости и tenability в организме. Эта статья используется белковые смеси дикого Tussah шелка (Antheraea pernyi) и внутреннего шелка шелковицы (Bombyx Mori) в качестве примера, чтобы обеспечить полезные протоколы по этим темам, в том числе, как предсказать белок-белковых взаимодействий расчетными методами, как производят сплав белка решения, как проверить сплава системы с помощью термического анализа, и как изготовить переменных материалы сплавав том числе оптических материалов с дифракционных решеток, электрических материалов с цепей покрытий и фармацевтических материалов для выпуска и распространения лекарственных средств. Эти методы могут дать важную информацию для разработки многофункциональных биоматериалов нового поколения на основе различных белковых сплавов.
Introduction
Природа создала стратегии для генерации перестраиваемых и многофункциональные биологические матрицы, используя ограниченное количество структурных белков. Например, эластины и коллагены всегда используются вместе в естественных условиях, чтобы обеспечить регулируемые сильные и функции, необходимые для конкретных тканей 1,2. Ключ к этой стратегии является смешивание. Смешивание включает смешивание белков с определенных соотношениях и является технологический подход для создания простых систем материалов с перестраиваемой и разнообразных свойств 3-5. По сравнению с синтетическими инженерных стратегий 6,7, смешивание может также улучшить материальную однородность и способность обрабатывать материал благодаря легкости работы 8-16. Поэтому проектирование многофункциональных биосовместимых сплавов белок материалы является новой областью медицинских исследований. Эта технология также будет предоставлять систематические знания о влиянии природных белковых матриц на клеток и тканей функций как в витро и в естественных условиях 10,17. Оптимизируя молекулярные взаимодействия между различными белками, на основе белка сплавы могут охватывать широкий спектр физических функций, таких как термическая стабильность при разных температурах, эластичность, чтобы поддержать различные ткани, электрический чувствительность в переменных органов и оптических свойств для регенерации роговицы ткани 3, 18-27. В результате этих исследований даст новый белок-материалы платформу в области биомедицинской науки и имеет непосредственное отношение к перестраиваемых ремонта тканей и лечения заболеваний и привести к дальнейшему биоразлагаемых имплантатов устройств, где их новые терапевтические и диагностические признаки можно предусмотренных 3.
Многие природные структурные белки имеют критические физические и биоактивными свойствами, которые могут быть использованы в качестве кандидатов на биоматериала матриц. Шелка из разных видов червей, Кератины от волосков и шерсти, эластины и коллагенов разных тканей, иразличные растительные белки являются одними из наиболее распространенных структурных белков, используемых для проектирования переменных материалы на основе белков (Рисунок 1) 18-27. В общем, эти белки могут образовывать различные молекулярные вторичные структуры (например, бета-листы для шелка или спиральный катушки для кератинами) благодаря своим уникальным повторяющихся последовательностей первичной аминокислотной 3,28-35. Эти особенности способствуют формированию самоорганизующихся макроскопических структур с уникальными функциями в биологических интерфейсов, побудивших их полезность в качестве заветной ресурса биополимеров материалов. Здесь были использованы два типа структурных белков (белок от диких Tussah шелка и белка В от домашних шелка шелковицы в качестве примера), чтобы продемонстрировать общие протоколы производстве различных сплавов белок биоматериалов. Протоколы продемонстрировали включают часть 1: прогнозы взаимодействия белка и моделирования, часть 2: производство сплавов белок решений и участие 3: изготовление сплава белкасистемы и для оптических, электрических и фармацевтической промышленности.
Рисунок 1 Сырье различных структурных белков, которые обычно используются в нашей лаборатории для разработки на основе белков материалы, в том числе шелка из разных видов червей, Кератины от волосков и шерсти, эластины из разных тканей и различных растительных белков.
Protocol
Representative Results
Discussion
Один из наиболее важных процедур в производстве системы белка "сплава" является проверка смешиваемость смешанных белков. В противном случае, это только не смешивается смесь белок или белковый сложная система без стабильных и перестраиваемых свойств. Экспериментальный метод тер?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы благодарят Rowan University за поддержку этого исследования. XH также благодаря д-р Дэвид Л. Каплан в Университете Тафтса и NIH P41 тканей Центр Инжиниринг ресурсов (TERC) для предыдущих технических тренингов.
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).
