Progettazione di materiali in lega di proteine della seta-seta per le applicazioni biomediche
Summary
La miscelazione è un approccio efficace per generare biomateriali con una vasta gamma di proprietà e caratteristiche combinate. Per predire le interazioni molecolari tra diverse proteine della seta naturale, nuove piattaforme lega proteine della seta-seta con sintonizzabile resilienza meccanica, risposta elettrica, trasparenza ottica, lavorabilità chimica, biodegradabilità, stabilità termica o possono essere progettati.
Abstract
Proteine fibrose mostrano diverse sequenze e strutture che sono stati utilizzati per varie applicazioni in campo biomedico, quali biosensori, la nanomedicina, la rigenerazione dei tessuti, e la consegna della droga. Progettazione di materiali basati sulle interazioni su scala molecolare tra queste proteine vi aiuterà a generare nuovi biomateriali in lega proteina multifunzionale con proprietà sintonizzabili. Tali sistemi materiali lega anche fornire vantaggi rispetto ai polimeri sintetici tradizionali a causa della biodegradabilità dei materiali, biocompatibilità, e tenability nel corpo. Questo articolo ha usato le miscele di proteine della seta selvaggia tussah (Antheraea pernyi) e gelso seta domestico (Bombyx mori) come esempio per fornire protocolli utili riguardo questi argomenti, compreso il modo di predire le interazioni proteina-proteina mediante metodi computazionali, come per la produzione di leghe di proteine soluzioni, come per verificare sistemi di leghe mediante analisi termica, e su come fabbricare materiali in lega di variabilicompresi i materiali ottici con reticoli di diffrazione, materiali elettrici con circuiti rivestimenti e materiali farmaceutici per il rilascio del farmaco e la consegna. Questi metodi possono fornire informazioni importanti per la progettazione di biomateriali multifunzionali di nuova generazione basato su diverse leghe di proteine.
Introduction
La natura ha creato strategie per generare matrici biologiche sintonizzabili e multifunzionali utilizzando un numero limitato di proteine strutturali. Ad esempio, elastins e collagene vengono sempre utilizzati insieme in vivo per fornire i punti di forza regolabili e le funzioni richieste per tessuti specifici 1,2. La chiave di questa strategia è la fusione. Blending coinvolge proteine di miscelazione con rapporti specifici ed è un approccio tecnologico per generare semplici sistemi materiali con sintonizzabile e varie proprietà di 3-5. Rispetto alle strategie di ingegneria sintetici 6,7, la miscelazione può anche migliorare l'uniformità del materiale e la capacità di elaborare il materiale a causa della facilità di funzionamento 8-16. Pertanto, la progettazione di materiali in lega di proteine multifunzionali, biocompatibili è un settore emergente della ricerca medica. Questa tecnologia fornirà anche la conoscenza sistematica dell'impatto di matrici proteiche naturali sulle funzioni di cellule e tessuti sia in vitro e in vivo 10,17. Ottimizzando interfacce molecolari tra proteine diverse, leghe a base di proteine può comprendere una gamma di funzioni fisiche, come la stabilità termica a temperature diverse, elasticità di sostenere i tessuti diversi, la sensibilità elettrica negli organi variabili, e le proprietà ottiche per la rigenerazione del tessuto corneale 3, 18-27. Il risultato di questi studi fornirà una nuova piattaforma di proteina-materiali nel campo della scienza biomedica con rilevanza diretta per la riparazione dei tessuti sintonizzabili e trattamenti di malattia e ulteriori portano a dispositivi di impianto biodegradabili dove le loro caratteristiche di novità terapeutiche e diagnostiche possono essere immaginato 3.
Molte proteine strutturali naturali hanno importanti proprietà fisiche e bioattive che possono essere sfruttate come candidati per le matrici biomateriale. Sete di diverse specie di vermi, cheratine da peli e lane, elastins e collagene da tessuti diversi, evarie proteine vegetali sono alcune delle proteine strutturali più comuni utilizzati per la progettazione di materiali a base di proteine variabile (Figura 1), 18-27. In generale, queste proteine possono formare diverse strutture molecolari secondarie (ad esempio, foglietti beta per sete, o bobine a spirale per cheratine) a causa delle loro uniche ripetitive sequenze di amminoacidi primaria 3,28-35. Queste caratteristiche favoriscono la formazione di strutture macroscopiche auto-assemblato con funzioni uniche in interfacce biologiche che spingono la loro utilità come una risorsa preziosa di materiali biopolimeri. Qui, sono stati utilizzati due tipi di proteine strutturali (proteina A da selvaggio seta tussah e proteine B addomesticati da seta di gelso come esempio) per dimostrare i protocolli generali di produzione di vari biomateriali in lega proteine. I protocolli sono dimostrati parte 1: le previsioni di interazione proteina e simulazioni, parte 2: produzione di soluzioni in lega proteine, e parte 3: fabbricazione di lega di proteinesistemi e per applicazioni ottiche, elettriche e farmaceutici.
Figura 1. materie prime di varie proteine strutturali che vengono comunemente utilizzati nel nostro laboratorio per la progettazione di materiali a base di proteine, tra cui sete di diverse specie di vermi, cheratine da peli e lane, elastins da diversi tessuti, e varie proteine vegetali.
Protocol
Representative Results
Discussion
Una delle procedure più critici nella produzione del sistema proteina "lega" è quello di verificare la miscibilità delle proteine miscelati. Altrimenti, è solo una miscela di proteine o di proteine sistema immiscibile composito senza proprietà stabili e sintonizzabili. Un metodo di analisi termica sperimentale può essere utilizzato per questo scopo e per confermare le proprietà della lega. Interazioni proteina-proteina possono essere visualizzate in base al modello di Flory-Huggins ret…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori ringraziano Rowan University per il supporto di questa ricerca. XH grazie anche Dr. David L. Kaplan presso la Tufts University e il NIH P41 Tissue Engineering Resource Center (TERC) per i precedenti corsi di formazione tecnica.
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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