ReviewBiomaterialien aus Biomolekülen

Biomoleküle sind aufgrund ihrer einzigartigen Struktur und Funktion, die für Reproduzierbarkeit, Nachhaltigkeit und Sterblichkeit verantwortlich sind, von grundlegender Bedeutung für alle Lebensformen einschließlich Mikroorganismen, Pflanzen und Tiere. Monomere, Oligomere und Makromoleküle wie Aminosäuren, Peptide, Proteine, Nukleobasen, Nukleotide, Oligonukleotide, Nukleinsäuren (DNA/RNA), Monosaccharide, Oligosaccharide, Polysaccharide und Lipide sind die wichtigsten Bausteine des Lebens , , ]. Es wird angenommen, dass sich die molekularen Bausteine des Lebens im Laufe der Evolution über Milliarden von Jahren allmählich in ihre heutige molekulare Struktur verwandelt haben, um die hochentwickelten molekularen Erkennungseigenschaften zu erlangen, die wir heute beobachten können. Die faszinierenden molekularen Erkennungseigenschaften von Biomolekülen sind für die Aufrechterhaltung der Struktur und der funktionellen Aktivität aller lebenden Organismen von entscheidender Bedeutung. Eine der faszinierenden Eigenschaften von Biomolekülen ist ihre Fähigkeit, sich hierarchisch zu organisieren, um starre und flexible biologische Systeme und Materialien herzustellen. So können beispielsweise Biomakromoleküle wie Kollagen, Keratin und Elastin funktionelle Einheiten bilden, Gelatine bildet robuste und verbrauchbare Gele, Seide bildet hochfeste Fasern (funktionelle Amyloide) und Gele, während einige Peptide und Proteine krankheitsverursachende toxische Amyloidstrukturen bilden. Die bemerkenswerten, durch molekulare Erkennung gesteuerten inter- und intramolekularen Wechselwirkungen und die Organisation von Biomolekülen sind entscheidend für die Bildung biologischer Materialien. Diese beispielhafte Kraft der Biomoleküle und ihrer biologischen Materialien hat Materialchemiker und Biologen dazu inspiriert, neue Biomaterialien zu entwickeln. Die faszinierenden chemischen, biologischen und mechanischen Eigenschaften von Biomolekülen spielen eine wichtige Rolle bei der Herstellung neuartiger Biomaterialien entweder durch direkte Verarbeitung oder in Kombination mit synthetischen Materialien.

Die allgegenwärtige Synergie und das Zusammenspiel von Biomolekülen sind wichtig, um die Treue des Lebens zu erhalten. Unstimmigkeiten, die durch Krankheiten oder Traumata entstehen, können das Zusammenspiel der Biomoleküle innerhalb des lebenden Systems stören. Die strukturelle Verformung oder Beschädigung von Geweben und Organen kann zu unzähligen menschlichen Behinderungen und Krankheiten führen. Die größte Einschränkung besteht darin, dass der menschliche Körper die meisten seiner Organe nicht selbst regenerieren kann, wenn sie unter ungünstigen physiologischen Bedingungen beeinträchtigt sind. In diesem Zusammenhang ist die Verwendung von aus Biomolekülen gewonnenen Materialien in Form von dauerhaften Implantaten oder regenerativen Ersatzstoffen für die betroffenen Gewebe und Organe in den biomedizinischen Wissenschaften sehr gefragt. Die Umwandlung von Biomolekülen in Materialien von biomedizinischer Bedeutung gewährleistet Biokompatibilität und ahmt die In-vivo-Umgebung des menschlichen Körpers nach, um die Heilungsprozesse auszulösen. Diese Materialien, die entweder aus Biomolekülen oder aus deren Kombinationen mit synthetischen Materialien für den Einsatz in biomedizinischen Anwendungen gewonnen werden, werden als von Biomolekülen abgeleitete Biomaterialien bezeichnet.

Die von Biomolekülen abgeleiteten Biomaterialien können so gestaltet werden, dass sie verschiedene Formen annehmen, die allein oder als Teil eines komplexen Systems für die Interaktion mit Komponenten lebender Systeme verwendet werden und von denen diagnostische oder therapeutische Wirkungen in der Human- oder Veterinärmedizin erwartet werden. Biomaterialien, die für verschiedene biomedizinische Anwendungen benötigt werden, können aus natürlichen oder synthetischen Materialien gewonnen werden, wobei Hybride aus beiden Materialtypen aufgrund der einzigartigen Fähigkeit, die chemischen, biologischen und mechanischen Eigenschaften zu verbessern, sehr häufig vorkommen. Die hierarchische Organisation biologischer Materialien erstreckt sich über große Längenskalen von der Molekular-, Nano-, Mikro- bis zur Makroebene. Die inhärente hierarchische Architektur biologischer Materialien beeinflusst ihre Funktionen in verschiedenen Gewebetypen und Organen des menschlichen Körpers. Aufgrund ihres inhärenten biologischen Charakters bieten aus Biomolekülen abgeleitete Materialsysteme unzählige Vorteile wie Biokompatibilität, biomolekulare Erkennung, Reaktionsfähigkeit auf biologische Reize und Flexibilität bei der Anpassung an das komplexe heterogene biochemische Umfeld. Obwohl sie gute Materialeigenschaften wie mechanische Festigkeit, Steifigkeit und Haltbarkeit aufweisen, leiden die Biomaterialanwendungen synthetischer Materialien unter einer schlechten Biokompatibilität, die für die Abstoßung der Materialien durch den menschlichen Körper verantwortlich ist. Die Abstoßung von Materialien ist ein Hauptproblem bei der Entwicklung und Verwendung von Biomaterialien, das möglicherweise durch eine geeignete Verbindung von Biomolekülen mit synthetisch hergestellten Biomaterialien überwunden werden kann, um Hybridmaterialien mit überlegenen strukturellen, funktionellen und biokompatiblen Eigenschaften zu erzeugen. In der Tat waren aus biologischen Materialien hergestellte Werkzeuge und Implantate in der klinischen Praxis in der Antike allgegenwärtig. So wurden beispielsweise Korallen und Hölzer als Zahnimplantate verwendet, während Seidenfasern als Nahtmaterial dienten. Bei der Verwendung biologischer Materialien in der Antike fehlten jedoch ein ausgeklügeltes Design und die Präzisionstechnik, die bei der Entwicklung und Anwendung moderner Biomaterialien zu beobachten ist. Zellulose, Keratin, Kollagen und Seide sind leicht zugängliche biologische Rohstoffe mit faszinierenden Materialeigenschaften, die aufgrund ihrer günstigen chemischen, biologischen und mechanischen Eigenschaften, die für die Verarbeitung und Herstellung von Biomaterialien erforderlich sind, einen bedeutenden Teil der Biomaterialforschung ausmachen (Abb. 1).

In den letzten Jahrzehnten haben Fortschritte in der biomedizinischen Forschung die Entwicklung und Herstellung von aus Biomolekülen gewonnenen Biomaterialien ermöglicht. Die Verarbeitung und Modifizierung von Biomolekülen oder ihre Integration mit anderen natürlichen und synthetischen Materialien führen zur Angleichung verschiedener chemischer, physikalischer, mechanischer und biomimetischer Eigenschaften, um klinisch ansprechende Biomaterialsysteme und -geräte zu erzeugen. Jahrhundert war Zeuge bemerkenswerter Innovationen bei der Entwicklung künstlicher Funktionsmaterialien mit potenziellen Anwendungen in der Biomedizin und Medizintechnik. Der kontinuierliche Fokus auf die Nutzung künstlicher Materialien in der klinischen Medizin unterstreicht die Notwendigkeit, Biomoleküle einzubauen, um ihre biomimetischen Eigenschaften zu verbessern (Abb. 2). In diesem Zusammenhang wird die Optimierung der strukturellen und funktionellen Eigenschaften von hybriden Biomaterialien, die durch die Verbindung von Biomolekülen und synthetischen Materialien entstehen, immer wichtiger, um ihre therapeutische Wirksamkeit zu verbessern. Die Integration von Biomolekülen in synthetische Materialien führt nämlich dazu, dass die abgeleiteten Biomaterialsysteme doppelte funktionelle Eigenschaften aufweisen, nämlich biologische Eigenschaften und Materialeigenschaften. Jüngste Entwicklungen in der Entwicklung von Biomaterialien haben die Einbeziehung zahlreicher chemischer und biologischer Funktionen in synthetische und hybride Systeme ermöglicht, um deren funktionelle Relevanz und Biokompatibilität mit der Zell- und Gewebeumgebung zu verbessern. Die Fortschritte in der biomedizinischen Wissenschaft und Technologie haben zu einer Anhäufung von umfangreichem Wissen über die In-vitro- und In-vivo-Umgebung geführt, was den Forschern die Möglichkeit gibt, durch innovative Strategien, die die extra- und interzelluläre Umgebung von Geweben und Organen nachahmen, neuartige Biomaterialien zu entwickeln (Abb. 3). Der Entwurf und die Herstellung von Biomaterialien umfasst in der Regel die Auswahl geeigneter natürlicher oder synthetischer Materialien und die Verarbeitung des gewählten Materials in das gewünschte Format mit geeigneten mechanischen Eigenschaften unter Verwendung biokompatibler chemischer und mechanischer Umwandlungen. Die Herstellung von Biomaterialien muss in der Regel die folgenden Kriterien erfüllen: i) Die gesamte Designarchitektur muss hochgradig biokompatibel sein und die erforderliche Adhäsion und das Zellwachstum sowie eine gute zelluläre Lebensfähigkeit fördern. ii) Sie muss die Diffusion kleiner Moleküle, Metaboliten oder Nährstoffe innerhalb der Zelle oder des Gewebes beschleunigen, iii) die Invasion oder Auswärtswanderung reaktiver Spezies verhindern, iv) keine Entzündungsreaktion, Teratogenität oder andere gesundheitsschädliche Wirkungen hervorrufen sollten, v) eine verlängerte chemische und biologische Plasmastabilität besitzen, vi) eine ausgezeichnete und erforderliche Abbaukinetik aufweisen und vii) eine In-vivo-Charakterisierung erleichtern.

Der Erfolg von aus Biomolekülen hergestellten Biomaterialien hängt in erster Linie von der Aufrechterhaltung der strukturellen und funktionellen Integrität der Biomoleküle innerhalb des hergestellten Systems oder Geräts ab, gefolgt von ihrer effektiven biomedizinischen Nutzung. Der gesamte Prozess der Interaktion von aus Biomolekülen gewonnenen Biomaterialien mit Zellen oder Geweben und der daraus resultierenden Reaktion stellt ein Tissue-Engineering-Triasystem dar, bei dem Biomoleküle als strukturelle Bausteine von Zellen und funktionelle Konjugate von Materialien synergetisch wirken, um die Struktur-Funktions-Beziehung natürlicher biologischer Systeme nachzuahmen. In diesem Zusammenhang sind Vorkenntnisse über die Struktur-Funktions-Beziehung von Biomolekülen, z. B. Informationen über die Primär-, Sekundär-, Tertiär- und Quartärstruktur von Proteinen, von entscheidender Bedeutung, um sie bei der Herstellung eines bestimmten Biomaterials wirksam einsetzen zu können. Biomoleküle weisen unterschiedliche chemische und physikalische Eigenschaften auf und reagieren unterschiedlich auf Stimuli aus der Umwelt, so dass das Verständnis der Struktur und Chemie von Biomolekülen in Lösung, im festen Zustand und an der Grenzfläche entscheidend ist. In biologischen Systemen weisen Biomoleküle eine beispiellose molekulare Erkennungs- und Interaktionsfähigkeit auf, um das Verhalten und die Aktivität der Zellen zu steuern. Die Integration von Biomolekülen in das Design von Biomaterialien beinhaltet in erster Linie die Nutzung dieser charakteristischen Eigenschaften, um Zellen und die In-vivo-Umgebung unter Verletzungs- oder Krankheitsbedingungen zu erforschen. Die Integration von Biomolekülen integriert Biokompatibilitätsmerkmale und optimiert die In-vivo-Interaktionen durch den Kontakt mit Gewebe oder Organen in einer ansprechenden Weise. Die inhärente strukturelle Komplexität und der biologische Ursprung von Biomolekülen können jedoch unerwünschte natürliche biologische Reaktionen des Körpers auslösen, die ihre klinische Umsetzung behindern können. Daher müssen Bedenken hinsichtlich der chemischen und biologischen Instabilität, der Immunreaktion und der natürlichen Abstoßung, der Kosteneffizienz, der Komplikationen bei der Entwicklung und anderer regulatorischer Fragen ausgeräumt werden. Darüber hinaus ist eine synergistische Integration der Eigenschaften von biologischen und synthetischen Materialien durch einfache, kostengünstige, minimalistische und von Struktur-Funktions-Beziehungsstudien geleitete Designs notwendig, um neuartige Biomaterialien mit potenziellen Anwendungen herzustellen.

Mit dem Aufkommen moderner Charakterisierungstechniken hat sich die Kontrolle über die Struktur-Funktions-Eigenschaften von Biomaterialien in letzter Zeit verbessert. Darüber hinaus ist die Notwendigkeit, Biomoleküle in synthetische Materialsysteme zu integrieren, um bessere chemische Zusammensetzungen, höher geordnete hierarchische Organisationen und biomimetische Eigenschaften in einem Biomaterial zu erreichen, heute offensichtlicher denn je. Das Design und die Herstellung von aus Biomolekülen gewonnenen Biomaterialien werden je nach Materialtyp und Anwendung durch kovalente und nicht-kovalente Wechselwirkungen bestimmt. In der Natur sind die dreidimensionalen (3D) Anordnungen von Biomolekülen in erster Linie von der durch kovalente Bindungen vermittelten Abfolge der Monomere abhängig. Anschließend werden die Strukturen höherer Ordnung mit unterschiedlichen Komplexitätsgraden und reaktionsfähigen Funktionalitäten biomolekularer Systeme innerhalb eines definierten Konstrukts durch dynamische, von nicht-kovalenten Wechselwirkungen angetriebene molekulare Assemblierungsprozesse aufgebaut. In diesem Zusammenhang muss bei der Entwicklung und Herstellung von Biomolekülen zu Biomaterialien die richtige Mischung aus Konformationssteifigkeit, die sich aus den kovalenten Modifikationen ergibt, und Flexibilität und funktioneller Relevanz, die sich aus den Multikomponenten-Assemblierungsprozessen ergeben, berücksichtigt werden. Zur Überwindung der translatorischen Beschränkungen wurden fortschrittliche Werkzeuge mit hohem Durchsatz entwickelt, wie z. B. das Aufkommen von Formgedächtnis- oder stimulierend-responsiven Materialien, Mikroarrays, Mikro- und Nanofabrikation und lithografische Techniken, um topografisch und funktionell gut definierte intelligente Biomaterialien zu erzeugen. Bioengineering ist ein weiterer anspruchsvoller und fortschrittlicher Forschungsbereich, in dem die natürliche biomolekulare Maschinerie für die Synthese von natürlichen und modifizierten Biopolymeren verändert und übernommen wird. Es gibt mehrere natürliche und modifizierte Mikroorganismen, die als lebende Biomaschinen oder Fabriken zur Synthese verschiedener biopolymerer Polyester und Polyamide dienen. Die Familie der grampositiven Bakterien Bacillus-Arten und die gramnegativen Bakterien Fusobacterium nucleatum werden zum Beispiel zur Synthese von Polyglutaminsäure in Gegenwart des Enzyms Polyglutaminsäure-Synthetase verwendet. In ähnlicher Weise werden die Polyester Polyhydroxyalkonate von verschiedenen Bakterien und Archaeen synthetisiert. In diesem Zusammenhang hat die Gentechnik das Potenzial, eine Vielzahl von Biopolymeren mit maßgeschneiderten Eigenschaften herzustellen.

Neben den Hochdurchsatztechnologien und der Gentechnik haben die Sequenzierung und die bildgebenden Verfahren der nächsten Generation den Anwendungsbereich als Charakterisierungsinstrumente zur Untersuchung des Zellverhaltens bei Wechselwirkungen mit Biomaterialien erweitert. In diesem Zusammenhang sind Materialien mit Formgedächtnis oder stimulierendem Verhalten besonders interessant, da sie als Reaktion auf äußere Reize wie pH-Wert, Temperatur oder Licht verschiedene geometrische Formen annehmen können. Diese Materialien können zunächst eine vorübergehende Form annehmen und sich dann als Reaktion auf Veränderungen der äußeren Reize in eine andere Form oder Geometrie verwandeln. Die formverändernde Eigenschaft dieser Materialien ist bei minimalinvasiven Operationen oder Laparoskopien von Vorteil, bei denen die Implantation des Biomaterials mit temperaturbedingten Veränderungen einhergeht, die dazu führen, dass sich das Material nach der Implantation in biomimetischere Strukturen verwandelt. Die Mikro- und Nanofabrikation von Biomolekülen zur Herstellung von Mikrochips, Mikronadeln oder Biosensoren ist nützlich für In-vitro- und In-vivo-Anwendungen, die Bioassays mit hohem Durchsatz, Biosensorik, Zellkultur und -differenzierung, Verabreichung und Therapie umfassen. Diese Technologien haben den Bereich der Biomaterialien bereichert, indem sie multidisziplinäre Ansätze aus den Bereichen Technik, Materialwissenschaft, Chemie, Biotechnologie und Medizin miteinander verbinden. Das Design von Biomaterialien der nächsten Generation hängt insbesondere von der kontrollierten und präzisen Entwicklung von Materialien ab, um eine höhere Genauigkeit in Bezug auf Struktur, Eigenschaft und Funktion zu erreichen, die stark auf aus Biomolekülen gewonnenen Materialien beruht. Bei der Herstellung von aus Biomolekülen gewonnenen Materialien ist es äußerst wichtig, die Struktur-Funktions-Beziehung der Biomoleküle bei ihrer Umwandlung in Biomaterialien aufrechtzuerhalten.

Dieser Übersichtsartikel ist in verschiedene Abschnitte unterteilt, die sich auf die Art der Biomoleküle stützen, die zur Herstellung von Biomaterialien verwendet werden, und enthält einen speziellen Abschnitt über ihre Anwendungen. Insgesamt stellen wir dem Leser ausgewählte und repräsentative Beispiele verschiedener Klassen von aus Biomolekülen abgeleiteten Biomaterialien mit potenziellen biomedizinischen Anwendungen vor, die von der Diagnose über die antimikrobielle Wirksamkeit, die Krebsbekämpfung und die regenerative Medizin bis hin zur Medikamentenverabreichung und Gewebezüchtung reichen. Die Diskussion ist auf realistische Entwürfe und Anwendungen der Biomaterialien gerichtet, bei denen die integrierten Biomoleküle über ihre spezifischen Funktionen hinaus eine entscheidende Rolle spielen. Die Berichterstattung und Diskussion konzentriert sich auf verschiedene Designstrategien, die verschiedene Biomakromoleküle wie Proteine, Nukleinsäuren, Kohlenhydrate und Lipide für die Herstellung von intelligenten Biomaterialien verwenden. Darüber hinaus werden minimalistische oder reduktionistische Ansätze beschrieben, bei denen Oligomere und Grundbausteine (Monomere) von Biomakromolekülen wie Peptide, Peptidomimetika, Oligonukleotide, Oligosaccharide, Fettsäuren, Aminosäuren, Nukleotide, Zucker und deren Kombinationen zur Herstellung von Biomaterialien zur Nachahmung natürlicher Systeme verwendet werden. Die Diskussion ist systematisch gegliedert, so dass aus Biomakromolekülen gewonnene Biomaterialien in Abschnitten beschrieben werden, die Proteinen, Nukleinsäuren, Kohlenhydraten und aus Lipiden gewonnenen Biomaterialien gewidmet sind. In jedem Abschnitt werden reduktionistische Ansätze zur Entwicklung und Herstellung von Biomaterialien unter Verwendung von Oligomeren oder Grundbausteinen (Monomeren) der Biomakromoleküle diskutiert. Das Hauptziel dieses Artikels ist es, wichtige Berichte aus der Literatur zu präsentieren, um einen Eindruck von den aus Biomolekülen hergestellten Biomaterialien zu vermitteln. Darüber hinaus gibt es eine Handvoll Crossover-Beispiele, bei denen zwei oder mehr Arten von Biomolekülen zusammen mit synthetischen Molekülen und Materialien verwendet werden, um Biomaterialien zu entwickeln, die im Abschnitt über hybride Biomaterialien behandelt werden. Die eingehende und kritische Diskussion über Design, Herstellung und Anwendungen von aus Biomolekülen gewonnenen Biomaterialien wird anhand geeigneter und wichtiger Beispiele für jeden Biomolekültyp dargestellt. Abschließend werden im Abschnitt Schlussfolgerungen und Ausblick der aktuelle Stand und die Zukunftsperspektiven dieses aufstrebenden Bereichs dargestellt. Neben der Präsentation von Daten aus der ausgewählten Primärliteratur wird jeder Abschnitt mit den notwendigen Illustrationen und Zukunftsperspektiven versehen, die das natürliche Vorkommen, den Nutzen, die praktische Quelle und die Anwendungen von aus Biomolekülen gewonnenen Biomaterialien berücksichtigen.