Biointerfejs

Biointerfejs to obszar kontaktu między biomolekułą, komórką , tkanką biologiczną lub żywym organizmem lub materiałem organicznym uważanym za żyjący z innym biomateriałem lub materiałem nieorganicznym/organicznym. Motywacja do nauki o biointerferencjach wynika z pilnej potrzeby lepszego zrozumienia interakcji między biomolekułami a powierzchniami. Zachowanie się złożonych układów makrocząsteczkowych na powierzchniach międzyfazowych materiałów jest ważne w biologii , biotechnologii , diagnostyce i medycynie. Nauka o biointerfejsie to multidyscyplinarna dziedzina, w której biochemicy syntetyzujący nowe klasy biomolekuł ( kwasy peptydonukleinowe , peptydomimetyki , aptamery , rybozymy i modyfikowane białka ) współpracują z naukowcami, którzy opracowali narzędzia do pozycjonowania biomolekuł z molekularną precyzją (metody sond proksymalnych, nanocząsteczki i metody mikrokontaktowe, litografia e-wiązką i promieniowaniem rentgenowskim oraz oddolne metody samoorganizacji), naukowcy, którzy opracowali nowe techniki spektroskopowe do badania tych cząsteczek na granicy faz ciało stałe-ciecz, oraz ludzie, którzy integrują je w funkcjonalne urządzenia (fizycy stosowani, chemicy analitycy i bioinżynierowie ). Dobrze zaprojektowane biointerfejsy ułatwiłyby pożądane interakcje, zapewniając zoptymalizowane powierzchnie, na których materia biologiczna może oddziaływać z innymi materiałami nieorganicznymi lub organicznymi, na przykład poprzez promowanie adhezji komórek i tkanek do powierzchni.

Interesujące tematy obejmują między innymi:

• Interfejsy neuronowe
• Komórki w modyfikowanych mikrośrodowiskach i medycynie regeneracyjnej
• Podejścia obliczeniowe i modelujące do biointerfejsów
• Membrany i bioczujniki membranowe
• Peptydy , węglowodany i DNA na biointerfejsach
• Patogeneza i wykrywanie patogenów
• Molekularnie zaprojektowane interfejsy
• Interfejsy nanorurek / nanocząstek

Pokrewne dziedziny biointerfejsów to biomineralizacja , biosensory , implanty medyczne i tak dalej.

Interfejsy nanostruktur

Nanotechnologia to szybko rozwijająca się dziedzina, która pozwoliła na stworzenie wielu różnych możliwości tworzenia biointerfejsów. Nanostruktury , które są powszechnie stosowane w biointerfejsach, obejmują: nanomateriały metalowe, takie jak nanocząsteczki złota i srebra , materiały półprzewodnikowe, takie jak nanodruty krzemowe , nanomateriały węglowe i materiały nanoporowate . Ze względu na wiele właściwości unikalnych dla każdego nanomateriału, takich jak rozmiar, przewodnictwo i konstrukcja, osiągnięto różne zastosowania. Na przykład nanocząsteczki złota są często funkcjonalizowane , aby działały jako środki dostarczające leki na raka, ponieważ ich rozmiar pozwala im na bierne gromadzenie się w miejscach guza. Również na przykład zastosowanie nanodrutów krzemowych w materiałach nanoporowatych do tworzenia rusztowań dla tkanek syntetycznych pozwala na monitorowanie aktywności elektrycznej i elektrycznej stymulacji komórek w wyniku fotoelektrycznych właściwości krzemu. Orientację biomolekuł na granicy faz można również kontrolować poprzez modulację parametrów, takich jak pH, temperatura i pole elektryczne. Na przykład DNA wszczepione na złote elektrody można zbliżyć do powierzchni elektrody po przyłożeniu dodatniego potencjału elektrody i jak wyjaśnili Rant i in., można to wykorzystać do stworzenia inteligentnych interfejsów do wykrywania biomolekularnego. Podobnie, Xiao Ma i inni omówili kontrolę elektryczną wiązania/rozwiązania trombiny z aptamerów unieruchomionych na elektrodach. Wykazali, że po przyłożeniu pewnych dodatnich potencjałów trombina zostaje oddzielona od biointerfejsu.

Interfejsy nanoprzewodów krzemowych

Krzem jest powszechnym materiałem stosowanym w przemyśle technologicznym ze względu na jego obfitość, a także właściwości półprzewodnikowe. Jednak w postaci masowej używane do chipów komputerowych i tym podobnych nie sprzyjają biointerfejsom. Do tych celów często stosuje się nanoprzewody krzemowe (SiNW). Różne metody wzrostu i składu SiNW, takie jak trawienie , chemiczne osadzanie z fazy gazowej i domieszkowanie , pozwalają na dostosowanie właściwości SiNW do unikalnych zastosowań. Jednym z przykładów tych unikalnych zastosowań jest to, że SiNW mogą być używane jako pojedyncze przewody do sond wewnątrzkomórkowych lub urządzeń zewnątrzkomórkowych lub że SiNW można manipulować w większe struktury makro. Struktury te można przekształcić w elastyczne, trójwymiarowe struktury makropourus (takie jak wspomniane powyżej rusztowania), które można wykorzystać do tworzenia syntetycznych macierzy zewnątrzkomórkowych . W przypadku Tian i wsp. kardiomiocyty hodowano na tych strukturach, aby stworzyć syntetyczną strukturę tkanki, którą można by wykorzystać do monitorowania aktywności elektrycznej komórek na rusztowaniu. Urządzenie stworzone przez Tian et al. wykorzystuje fakt, że SiNW są tranzystorach polowych (FET). Urządzenia FET reagują na potencjału elektrycznego na powierzchni urządzenia lub w tym przypadku na powierzchni SiNW. Bycie urządzeniem FET można również wykorzystać, używając pojedynczych SiNW jako urządzeń bioczujących . Czujniki SiNW to nanoprzewody zawierające na swojej powierzchni specyficzne receptory, które po związaniu z odpowiednimi antygenami powodują zmiany w przewodnictwie . Czujniki te można wprowadzać do komórek przy minimalnej inwazyjności, co czyni je pod pewnymi względami lepszymi niż tradycyjne bioczujniki, takie jak barwniki fluorescencyjne, a także inne nanocząsteczki wymagające znakowania celu.