Biomimetische Materialien

Biomimetische Materialien sind mit Inspiration aus der Natur entwickelten Materialien. Dies kann nützlich bei der Konstruktion von Verbundmaterialien sein. Natürliche Strukturen inspiriert und erneuert menschlichen Kreationen. Bemerkenswerte Beispiele dieser natürlichen Strukturen umfassen: Wabenstruktur der Bienenstock, Stärke der Spinnenseide, Vogelflugmechanik und Haifischhaut Wasserabweisung.

Tissue Engineering

Biomimetische Materialien im Tissue Engineering sind Materialien, die sich, so dass sie festgelegten Zellreaktionen durch Wechselwirkungen mit gerüstbunden Peptide von extrazellulären Matrixproteinen vermittelt entlocken entwickelt haben; Im Wesentlichen ist die Einarbeitung von Zellen bindende Peptide in Biomaterialien durch chemische oder physikalische Modifikation. Aminosäuren in den Peptiden befinden als Bausteine ​​von anderen biologischen Strukturen verwendet. Diese Peptide werden oft als "selbstorganisierende Peptide" bezeichnet, da sie modifiziert werden, um biologisch aktive Motive enthält. Dies ermöglicht es ihnen, um Informationen aus Gewebe stammen replizieren und die gleichen Informationen unabhängig reproduzieren. So wirken diese Peptide als Bausteine ​​leiten kann mehrere biochemische Aktivitäten, einschließlich Tissue Engineering. Es sollte beachtet werden, dass Tissue-Engineering-Forschung, die derzeit sowohl kurzkettige und langkettige Peptide durchgeführt noch in frühen Stadien werden.

Solche Peptide umfassen sowohl nativen langen Ketten von ECM-Proteinen als auch kurze Peptidsequenzen von intakten ECM Proteine ​​abgeleitet. Die Idee ist, dass der biomimetischen Material werden einige der Rollen, die ein ECM spielt in Nervengewebe nachahmen. Neben der Förderung des Zellwachstums und Mobilisierung könnten die einge Peptide auch durch spezifische Protease-Enzyme zu vermitteln oder zu initiieren zellulären Antworten nicht in einem lokalen einheimischen Gewebe vorhanden.

Am Anfang wurden die lange Ketten von ECM-Proteinen, einschließlich Fibronectin, Vitronectin und Laminin verwendet, aber seit kurzem die Vorteile der Verwendung kurzer Peptide entdeckt worden. Kurze Peptide sind vorteilhaft, da im Gegensatz zu den langen Ketten, die zufällig bei der Adsorption falten wodurch die aktiven Proteindomänen sterisch nicht verfügbar zu sein, bleiben kurze Peptide stabil sind und nicht den Rezeptor-Bindungsdomänen verbergen, wenn adsorbiert. Ein weiterer Vorteil der kurzen Peptiden ist, daß sie ökonomisch aufgrund der geringeren Größe repliziert. Eine bifunktionelle Vernetzer mit einer langen Spacer-Arm ist mit Halteseil Peptide auf die Substratoberfläche verwendet. Wenn eine funktionelle Gruppe ist nicht für die Befestigung der Vernetzer vorhanden ist, kann photochemische Immobilisierung verwendet werden.

Zusätzlich zur Modifizierung der Oberfläche kann Biomaterialien in Groß modifiziert werden, so dass der Zellsignalpeptide und Erkennungsstellen vorhanden sind, nicht nur auf der Oberfläche, sondern auch in der gesamten Masse des Materials. Die Stärke der Zellhaftung, Zellwanderung Rate und Ausmaß der Zytoskelett Bildung wird durch die Rezeptorbindung an den Liganden an das Material gebunden war, gemessen; Somit Rezeptor-Liganden-Affinität, die Dichte der Liganden und die räumliche Verteilung des Liganden sorgfältig berücksichtigt werden, wenn eine biomimetische Material bestehen.

Biomimetische Mineralisation

Proteine ​​der extrazellulären Matrix zu entwickeln Schmelz Steuer erste Mineralablagerung und nachfolgende Kristallwachstum schließlich Bestimmung der physikalisch-mechanischen Eigenschaften des reifen mineralisiertes Gewebe.

Mutationen in Schmelz ECM-Proteine ​​führen Schmelzdefekte wie Amelogenesis unvollkommen. Typ-I-Kollagen wird angenommen, dass eine ähnliche Rolle für die Bildung von Dentin und Knochen haben.

Keimbildner bringen Mineralionen von den umgebenden Flüssigkeiten in Form einer Kristallgitterstruktur, durch Stabilisieren kleiner Kerne um das Kristallwachstum zu ermöglichen, Bildung von Mineralgewebe.

Zahnschmelz Mineral Hydroxylapatit mit in die Struktur eingebaut Fremdionen gemacht.

Carbonat, Fluorid und Magnesium die häufigsten heteroionic Substituenten.

In einem biomimetischen Mineralisation Strategie, die auf normalen Schmelz Histogenese wird ein dreidimensionales Gerüst gebildet zu gewinnen und zu arrangieren Calcium- und / oder Phosphationen zu De-novo-Ausfällung von Hydroxylapatit zu induzieren.

Zwei allgemeine Strategien wurden angewendet. Man unter Verwendung von Fragmenten bekannten natürlichen Mineralisierung Proteinen wie Amelogenin, Kollagen oder Dentin Phosphophoryn als Basis zu unterstützen. Alternativ de novo makromolekulare Strukturen wurden entwickelt, um die Mineralisierung, nicht auf natürlichen Molekülen zu unterstützen, aber auf rationale Design.

Extrazellulären Matrixproteinen

Viele Studien nutzen Laminin-1 bei der Gestaltung eines biomimetischen Materials. Laminin ist ein Bestandteil der extrazellulären Matrix, die in der Lage zur Förderung der Neuronen Befestigung und Differenzierung, zusätzlich zu Axonwachstum Führung ist. Ihre primäre funktionelle Stelle für Bioaktivität seine Kernproteindomäne Isoleucin-Lysin-Valin-Alanin-Valin, die in der α-1-Kette von Laminin befindet.

Eine neuere Studie von Wu, Zheng et al., Synthetisiert eine selbstorganisierte Nano IKVAV-Peptid und getestet seine Wirkung auf die Adhäsion der nerven-ähnlichen PC12-Zellen. Frühe Zelladhäsion ist zur Verhinderung von Zelldegeneration sehr wichtig; die mehr Zellen in Kultur ausgesetzt ist, desto eher werden sie degenerieren. Das Ziel war, ein Biomaterial mit guter Zellhaftung und die Bioaktivität mit IKVAV, die in der Lage, die Differenzierung und Adhäsion von Gliazellen zusätzlich zur Förderung der neuronalen Zellhaftung und die Differenzierung inhibieren entwickeln. Das IKVAV-Peptid-Domäne auf der Oberfläche der Nanofasern, so dass es ausgesetzt ist, und zur Förderung der Zellkontaktwechselwirkungen zugänglich. Die IKVAV Nanofasern gefördert stärkere Zellhaftung als die elektrostatische Anziehung durch Poly-L-Lysin-induziert und Zellhaftung mit zunehmender Dichte von IKVAV, bis die Sättigung erreicht war. IKVAV zeigt keine zeitabhängige Effekte, weil die Haftung wurde gezeigt, dass derselbe nach 1 Stunde und etwa 3 Stunden liegen.

Laminin ist bekannt, Neuritenwachstum zu stimulieren, und es eine Rolle bei der Entwicklung des Nervensystems spielt. Es ist bekannt, dass Farbverläufe sind kritisch für die Führung der Wachstumskegel um ihre Zielgeweben in der Entwicklung des Nervensystems. Es wurde viel Forschung auf löslichen Gradienten durchgeführt; hat jedoch wenig Wert auf Gradienten Substrat gebundenen Substanzen der extrazellulären Matrix wie Laminin platziert. Dodla und Bellamkonda, hergestellt einen anisotropen 3D-Agarose-Gel mit Steigungen von gekoppelten Laminin-1. Konzentrationsgradienten der LN-1 wurde gezeigt, schneller Neuritenextension als der höchste mit isotropen LN-1-Konzentrationen beobachtet Neuriten-Wachstum zu fördern. Neuriten stieg nach oben und unten der Gradienten, aber das Wachstum war schneller bei weniger starkem Gefälle und war schneller bis der Gradienten, als unten die Steigungen.

Biomimetic künstliche Muskeln

Elektroaktive Polymere werden auch als künstliche Muskeln bekannt. EAPs sind polymere Materialien und sie in der Lage, große Verformung, wenn sie in einem elektrischen Feld aufgebracht erzeugen. Dies bietet großes Potenzial für Anwendungen in der Biotechnologie und Robotik, Sensoren und Aktoren.

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