Biointerface - Biointerface

Biointerface je oblast kontaktu mezi biomolekuly, buňky , biologické tkáně nebo živý organismus nebo organického materiálu, jejichž životní s jiným biomateriálů nebo anorganické / organické látky. Motivace pro vědu o biointerface vychází z naléhavé potřeby zlepšit porozumění interakcím mezi biomolekulami a povrchy. Chování komplexních makromolekulárních systémů na materiálových rozhraních je důležité v oblasti biologie , biotechnologie , diagnostiky a medicíny. Biointerface science je multidisciplinární obor, ve kterém biochemici, kteří syntetizují nové třídy biomolekul ( peptidové nukleové kyseliny , peptidomimetika , aptamery , ribozymy a upravené proteiny ) spolupracují s vědci, kteří vyvinuli nástroje pro polohování biomolekul s molekulární přesností (metody proximální sondy, nano -a mikrokontaktní metody, e-paprsková a rentgenová litografie a metody montáže zdola nahoru), vědci, kteří vyvinuli nové spektroskopické techniky pro vyšetřování těchto molekul na rozhraní pevná látka-kapalina, a lidé, kteří je integrují do funkčních zařízení (aplikovaní fyzici, analytičtí chemici a bioinženýři ).

Mezi zajímavá témata patří mimo jiné:

Související pole pro biologická rozhraní jsou biomineralizace , biosenzory , lékařské implantáty atd.

Nanostrukturní rozhraní

Nanotechnologie je rychle rostoucí obor, který umožnil vytvoření mnoha různých možností pro vytváření bio rozhraní. Nanostruktury, které se běžně používají pro biologická rozhraní, zahrnují: kovové nanomateriály, jako jsou nanočástice zlata a stříbra , polovodičové materiály, jako jsou křemíkové nanočástice , uhlíkové nanomateriály a nanoporézní materiály. Díky mnoha vlastnostem jedinečným pro každý nanomateriál, jako je velikost, vodivost a konstrukce, bylo dosaženo různých aplikací. Například nanočástice zlata jsou často funkcionalizovány , aby fungovaly jako činidla dodávající léčiva pro rakovinu, protože jejich velikost jim umožňuje pasivní shromažďování na nádorových místech. Také jako příklad, použití křemíkových nanodrátů v nanoporézních materiálech k vytvoření lešení pro syntetické tkáně umožňuje monitorování elektrické aktivity a elektrické stimulace buněk v důsledku fotoelektrických vlastností křemíku. Orientaci biomolekul na rozhraní lze také řídit modulací parametrů, jako je pH, teplota a elektrické pole. Například DNA roubovaná na zlaté elektrody může být vyrobena tak, aby se přiblížila k povrchu elektrody při aplikaci pozitivního elektrodového potenciálu, a jak vysvětlil Rant a kol., Toto lze použít k vytvoření inteligentních rozhraní pro biomolekulární detekci. Podobně Xiao Ma a další diskutovali o elektrickém ovládání vazby/nevázání trombinu z aptamerů imobilizovaných na elektrodách. Ukázali, že při aplikaci určitých pozitivních potenciálů dojde k oddělení trombinu od biointerface.

Rozhraní silikonových nanodrátů

Křemík je běžný materiál používaný v technologickém průmyslu díky jeho hojnosti a vlastnostem jako polovodič. Avšak v hromadné formě používané pro počítačové čipy a podobné nejsou vhodné pro biologická rozhraní. K těmto účelům se často používají křemíkové nanodrátky (SiNW). Různé metody růstu a složení SiNW, jako je leptání , chemické napařování a doping , umožňují přizpůsobení vlastností SiNW pro jedinečné aplikace. Jedním příkladem těchto unikátních použití je to, že SiNW lze použít jako jednotlivé dráty pro intracelulární sondy nebo extracelulární zařízení nebo lze SiNW manipulovat do větších makro struktur. Tyto struktury lze manipulovat do flexibilních, 3D, makropourusových struktur (jako výše uvedená lešení), které lze použít k vytváření syntetických extracelulárních matric . V případě Tian a kol. Byly na těchto strukturách pěstovány kardiomyocyty jako způsob vytvoření struktury syntetické tkáně, která by mohla být použita ke sledování elektrické aktivity buněk na lešení. Zařízení vytvořené Tianem a spol. využívá výhody skutečnosti, že SiNW jsou zařízení založená na tranzistorech s efektem pole (FET). Zařízení FET reagují na elektrické potenciální náboje na povrchu zařízení, nebo v tomto případě povrchu SiNW. Být zařízením FET lze také využít při použití jednotlivých SiNW jako zařízení pro biologické snímání . Senzory SiNW jsou nanodrátky, které na svém povrchu obsahují specifické receptory, které po navázání na příslušné antigeny způsobí změny ve vodivosti . Tyto senzory mají schopnost být vloženy do buněk s minimální invazivitou, což je v některých ohledech dává přednost tradičním biosenzorům, jako jsou fluorescenční barviva, a dalším nanočásticím, které vyžadují značení cílů.

Reference

  1. ^ Biointerfaces , Redakce: Dietmar Hutmacher, Wojciech Chrzanowski, Royal Society of Chemistry, Cambridge 2015, https://pubs.rsc.org/en/content/ebook/978-1-78262-845-3
  2. ^ Chen, Da; Wang, Geng; Li, Jinghong (2007). „Interfacial Bioelectrochemistry: Fabrication, Properties and Applications of Functional Nanostructured Biointerfaces“. The Journal of fyzikální chemie C . 111 (6): 2351–2367. doi : 10,1021/jp065099w .
  3. ^ Dreaden, Erik C; Austin, Lauren A; Mackey, Megan A; El-Sayed, Mostafa A (2017-01-26). „Na velikosti záleží: nanočástice zlata v cílené dodávce léků proti rakovině“ . Terapeutické doručení . 3 (4): 457–478. doi : 10,4155/tde.12.21 . ISSN  2041-5990 . PMC  3596176 . PMID  22834077 .
  4. ^ a b Tian, ​​Bozhi; Liu, Jia; Dvir, Tal; Jin, Lihua; Tsui, Jonathan H .; Qing, Quan; Suo, Zhigang; Langer, Robert; Kohane, Daniel S. (2012-11-01). „Makroporézní nanodrátové nanoelektronické lešení pro syntetické tkáně“ . Přírodní materiály . 11 (11): 986–994. Bibcode : 2012NatMa..11..986T . doi : 10,1038/nmat3404 . ISSN  1476-1122 . PMC  3623694 . PMID  22922448 .
  5. ^ Rant, U .; Arinaga, K .; Scherer, S .; Pringsheim, E .; Fujita, S .; Yokoyama, N .; Tornow, M .; Abstreiter, G. (2007). „Přepínatelná rozhraní DNA pro vysoce citlivou detekci cílů DNA bez označení“ . Sborník Národní akademie věd . 104 (44): 17364–17369. Bibcode : 2007PNAS..10417364R . doi : 10,1073/pnas.0703974104 . PMC  2077262 . PMID  17951434 .
  6. ^ Ma, Xiao; Gosai, Agnivo; Shrotriya, Pranav (2020). „Řešení elektrického stimulu spustilo molekulární vazbu a silovou modulaci na biointerface trombin-aptamer“. Journal of Colloid and Interface Science . 559 : 1–12. Bibcode : 2020JCIS..559 .... 1M . doi : 10,1016/j.jcis.2019.09.080 . PMID  31605780 .
  7. ^ Gosai, Agnivo; Ma, Xiao; Balasubramanian, Ganesh; Shrotriya, Pranav (2016). „Elektricky stimulované řízené vázání/nevázání komplexu lidského trombinu a apameru“ . Vědecké zprávy . 6 : 37449. Bibcode : 2016NatSR ... 637449G . doi : 10,1038/srep37449 . PMC  5118750 . PMID  27874042 .
  8. ^ Coffer, JL (2014). „Přehled polovodivých křemíkových nanodrátů pro biomedicínské aplikace“. Polovodičové křemíkové nanodrátky pro biomedicínské aplikace . s. 3–7. doi : 10,1533/9780857097712.1.3 . ISBN 9780857097668.
  9. ^ Zhang, Guo-Jun; Ning, Yong (2012-10-24). „Silikonový nanodrátový biosenzor a jeho aplikace v diagnostice nemocí: přehled“. Analytica Chimica Acta . 749 : 1–15. doi : 10,1016/j.aca.2012.08.035 . PMID  23036462 .