ReviewBiomolecules-derived biomaterials

Biomolecules are fundamental to all life forms including microorganisms, plants and animals due to their unique structure and function responsible for reproducibility, sustainability and mortality. I monomeri, gli oligomeri e le macromolecole come aminoacidi, peptidi, proteine, nucleobasi, nucleotidi, oligonucleotidi, acidi nucleici (DNA/RNA), monosaccaridi, oligosaccaridi, polisaccaridi e lipidi sono i principali mattoni della vita, , ]. Si pensa che i mattoni molecolari della vita si siano trasformati progressivamente nella loro attuale struttura molecolare nel corso di miliardi di anni attraverso il processo di evoluzione per raggiungere le proprietà di riconoscimento molecolare altamente sofisticate di cui siamo testimoni oggi. L’intrigante proprietà di riconoscimento molecolare delle biomolecole è vitale per mantenere la struttura e l’attività funzionale di tutti gli organismi viventi. Uno degli attributi affascinanti delle biomolecole è la loro capacità di subire un’organizzazione gerarchica per produrre sistemi e materiali biologici rigidi e flessibili. Per esempio, le biomacromolecole come il collagene, la cheratina e l’elastina possono formare assemblaggi funzionali, la gelatina forma gel robusti e consumabili, la seta forma fibre ad alta resistenza (amiloide funzionale) e gel, mentre alcuni peptidi e proteine producono strutture amiloidi tossiche che causano malattie. Le notevoli interazioni inter- e intra-molecolari guidate dal riconoscimento molecolare e l’organizzazione delle biomolecole sono cruciali per la formazione di materiali biologici. Questo potere esemplare delle biomolecole e dei loro materiali biologici è stato la fonte di ispirazione per i chimici dei materiali e i biologi per sviluppare nuove strutture biomateriali. Le intriganti proprietà chimiche, biologiche e meccaniche delle biomolecole giocano un ruolo importante nella fabbricazione di nuovi biomateriali sia attraverso la lavorazione diretta che in combinazione con materiali sintetici. La discrepanza derivante da qualsiasi tipo di malattia o trauma potrebbe disturbare la diafonia tra le biomolecole all’interno del sistema delle macchine viventi. La deformazione strutturale o i danni ai tessuti e agli organi possono causare innumerevoli disabilità e malattie umane. La principale limitazione è che il corpo umano non può auto-rigenerare la maggior parte dei suoi organi se compromessi in condizioni fisiologiche avverse. In questo contesto, l’uso di materiali derivati da biomolecole sotto forma di impianti permanenti o sostituti rigenerativi per i tessuti e gli organi colpiti è molto ricercato nelle scienze biomediche. La trasformazione delle biomolecole in materiali di importanza biomedica assicura la biocompatibilità e imita l’ambiente in vivo del corpo umano per innescare i processi di guarigione. Questi materiali derivati da biomolecole o dalle loro combinazioni con materiali sintetici per l’uso in applicazioni biomediche sono chiamati biomateriali derivati da biomolecole.

I biomateriali derivati da biomolecole possono essere ingegnerizzati per assumere forme diverse che, da soli o come parte di un sistema complesso, sono utilizzati per l’interazione con i componenti dei sistemi viventi e per generare effetti diagnostici o terapeutici nella medicina umana o veterinaria. I biomateriali richiesti per varie applicazioni biomediche possono essere derivati da materiali naturali o sintetici, mentre l’ibrido dei due tipi di materiali è molto comune a causa della capacità unica di migliorare le proprietà chimiche, biologiche e meccaniche. L’organizzazione gerarchica dei materiali biologici abbraccia grandi scale di lunghezza da molecolare, nano, micro a macro-scala. L’architettura gerarchica inerente ai materiali biologici influenza le loro funzioni in diversi tipi di tessuto e organi del corpo umano. Grazie alla loro intrinseca natura biologica, i sistemi materiali derivati dalle biomolecole offrono innumerevoli vantaggi come la biocompatibilità, il riconoscimento biomolecolare, la reattività agli stimoli biologici e la flessibilità per adattarsi all’ambiente biochimico complesso ed eterogeneo. Nonostante le buone proprietà dei materiali come la resistenza meccanica, la rigidità e la durata, le applicazioni biomateriali dei materiali sintetici soffrono di una scarsa biocompatibilità che è responsabile del rigetto dei materiali da parte del corpo umano. Il rigetto dei materiali è una preoccupazione importante nello sviluppo e nell’uso dei biomateriali, che può essere possibilmente superata incorporando opportunamente le biomolecole con biomateriali sinteticamente derivati per generare materiali ibridi con caratteristiche strutturali, funzionali e di biocompatibilità superiori. Infatti, strumenti e impianti derivati da materiali biologici erano onnipresenti nella pratica clinica nei tempi antichi. Per esempio, i coralli e i legni erano usati come impianti dentali, mentre le fibre di seta erano usate come suture. Tuttavia, l’antico uso dei materiali biologici mancava di un design sofisticato e di un’ingegneria di precisione che è testimoniata nel design e nelle applicazioni dei biomateriali moderni. Cellulosa, cheratina, collagene e seta sono materie prime biologiche facilmente accessibili con proprietà materiali affascinanti, che costituiscono una parte significativa della ricerca sui biomateriali grazie alle favorevoli proprietà chimiche, biologiche e meccaniche richieste per la lavorazione e la fabbricazione di biomateriali (Fig. 1). L’elaborazione e la modifica in soluzione delle biomolecole o la loro integrazione con altri materiali naturali e sintetici portano all’assimilazione di diverse proprietà chimiche, fisiche, meccaniche e biomimetiche per generare sistemi e dispositivi biomateriali clinicamente reattivi. Il ventesimo secolo ha visto notevoli innovazioni nello sviluppo di materiali funzionali artificiali con potenziali applicazioni in biomedicina e tecnologie mediche. La continua attenzione allo sfruttamento dei materiali artificiali nella medicina clinica sottolinea la necessità di incorporare biomolecole per migliorare le loro caratteristiche biomimetiche (Fig. 2). In questo contesto, l’ottimizzazione delle caratteristiche strutturali e funzionali dei biomateriali ibridi derivati dall’interfacciamento di biomolecole e materiali sintetici diventa essenziale per migliorare la loro efficacia terapeutica. Infatti, l’integrazione di biomolecole con materiali sintetici porta all’assimilazione di caratteristiche funzionali doppie, cioè, caratteristiche biologiche e proprietà del materiale, all’interno dei sistemi biomateriali derivati. I recenti sviluppi nella progettazione dei biomateriali hanno permesso l’inclusione di una miriade di funzionalità chimiche e biologiche nei sistemi sintetici e ibridi per migliorare la loro rilevanza funzionale e la biocompatibilità con l’ambiente cellulare e tissutale. Il progresso nella scienza e nella tecnologia biomedica ha portato all’accumulo di vaste conoscenze sugli ambienti in vitro e in vivo, consentendo ai ricercatori di adottare la fedeltà nella progettazione rispetto agli approcci empirici per sviluppare nuovi biomateriali attraverso strategie innovative che imitano l’ambiente extra e intercellulare di tessuti e organi (Fig. 3). La progettazione e la fabbricazione di biomateriali comporta tipicamente la selezione di materiale naturale o sintetico adatto e l’elaborazione del materiale scelto nel formato richiesto con proprietà meccaniche appropriate utilizzando trasformazioni chimiche e meccaniche biocompatibili. La fabbricazione di biomateriali deve tipicamente soddisfare i seguenti criteri i) l’architettura completa del design è altamente biocompatibile in natura che promuove l’adesione richiesta e la crescita cellulare oltre a una buona vitalità cellulare, ii) accelerare la diffusione di piccole molecole, metaboliti o nutrienti all’interno della cellula o del tessuto, iii) prevenire l’invasione o la migrazione verso l’esterno di specie reattive, iv) non dovrebbe indurre una risposta infiammatoria, teratogenicità o qualsiasi effetto negativo sulla salute, v) possedere una prolungata stabilità chimica e biologica del plasma, vi) esibire un’eccellente e necessaria cinetica di degradazione, e vii) facilitare la caratterizzazione in vivo.

Il successo dei biomateriali derivati dalle biomolecole dipende principalmente dal mantenimento dell’integrità strutturale e funzionale delle biomolecole all’interno del sistema o dispositivo fabbricato, seguito dal loro efficace utilizzo biomedico. L’intero processo di interazione del biomateriale derivato da biomolecole con la cellula o il tessuto e la risposta risultante costituisce il sistema della triade dell’ingegneria dei tessuti, in cui le biomolecole agiscono in sinergia come elementi strutturali della cellula e coniugati funzionali dei materiali per imitare il rapporto struttura-funzione dei sistemi biologici naturali. In questo contesto, la conoscenza preliminare del rapporto struttura-funzione delle biomolecole, per esempio, le informazioni sulle strutture primarie, secondarie, terziarie e quaternarie delle proteine sono cruciali per poterle utilizzare efficacemente in una specifica fabbricazione di biomateriali. Le biomolecole presentano diverse caratteristiche chimiche e fisiche e rispondono in modo distinto agli stimoli provenienti dall’ambiente e quindi la comprensione della struttura e della chimica delle biomolecole in soluzione, allo stato solido e all’interfaccia è fondamentale. Nei sistemi biologici, le biomolecole esibiscono una capacità di riconoscimento e interazione molecolare senza precedenti per controllare il comportamento e l’attività cellulare. L’integrazione delle biomolecole nel quadro di progettazione dei biomateriali include prevalentemente lo sfruttamento di queste caratteristiche per interrogare le cellule e l’ambiente in vivo in condizioni di lesione o malattia. L’incorporazione di biomolecole integra le caratteristiche di biocompatibilità e ottimizza le interazioni in vivo contattando il tessuto o l’organo in modo reattivo. Tuttavia, le complessità strutturali inerenti e l’origine biologica delle biomolecole possono istigare risposte biologiche naturali indesiderate del corpo che possono ostacolare la loro traduzione clinica. Pertanto, le preoccupazioni relative all’instabilità chimica e biologica, la risposta immunitaria e il rigetto naturale, l’efficacia dei costi, le complicazioni nella progettazione e altre questioni normative devono essere affrontate. Inoltre, l’integrazione sinergica delle proprietà dei materiali biologici e sintetici attraverso progetti semplici, convenienti, minimalisti e studi di relazione struttura-funzione è necessaria per produrre nuovi biomateriali con potenziali applicazioni.

Con l’avvento delle moderne tecniche di caratterizzazione, il controllo sulle proprietà struttura-funzione dei biomateriali è migliorato negli ultimi tempi. Inoltre, la necessità di integrare le biomolecole con sistemi di materiali sintetici per realizzare composizioni chimiche superiori, organizzazioni gerarchiche più ordinate e caratteristiche biomimetiche in un biomateriale è ora più evidente che mai. La progettazione e la fabbricazione di biomateriali derivati da biomolecole sono guidate da interazioni covalenti e non covalenti a seconda del tipo di materiale e dell’applicazione. In natura, gli assemblaggi tridimensionali (3D) delle biomolecole dipendono principalmente dalla sequenza di monomeri mediata dal legame covalente. Successivamente, le strutture di ordine superiore con vari livelli di complessità e funzionalità reattive dei sistemi biomolecolari sono assemblate all’interno di un costrutto definito attraverso interazioni dinamiche non covalenti guidate dal processo di assemblaggio molecolare. A questo proposito, l’ingegneria e la fabbricazione di biomolecole in biomateriali di interesse devono considerare la giusta miscela di rigidità conformazionale deriva dalle modifiche covalenti così come la flessibilità e la rilevanza funzionale ottenuta dai processi di assemblaggio multicomponente. Per superare i vincoli traslazionali, sono stati sviluppati strumenti avanzati e ad alta produttività come l’avvento di materiali a memoria di forma o stimolanti-reattivi, microarray, tecniche di micro e nano-fabbricazione e litografia per generare biomateriali intelligenti topograficamente e funzionalmente ben definiti. La bioingegneria è un’altra area di ricerca sofisticata e avanzata per alterare e adottare il meccanismo biomolecolare naturale per la sintesi di biopolimeri naturali e modificati. Ci sono diversi microrganismi naturali e modificati che agiscono come bio-macchinari viventi o fabbrica per sintetizzare diversi poliesteri e poliammidi biopolimerici. Per esempio, la famiglia di batteri gram-positivi Bacillus species e i batteri gram-negativi Fusobacterium nucleatum sono usati per sintetizzare l’acido poliglutammico in presenza dell’enzima sintetasi dell’acido poliglutammico. Allo stesso modo, i poliesteri poliidrossi-alconati sono sintetizzati da diversi batteri e archei. In questo contesto, l’ingegneria genetica ha il potenziale per produrre una varietà di biopolimeri con proprietà su misura.

Insieme alle tecnologie high throughput e all’ingegneria genetica, il sequenziamento di prossima generazione e le tecniche di imaging hanno ampliato la portata come strumenti di caratterizzazione per esaminare il comportamento cellulare su interazioni con biomateriali. In questo contesto, la memoria di forma o i materiali stimolo-responsivi sono particolarmente interessanti in quanto possono adottare diverse conformazioni geometriche in risposta a stimoli esterni come pH, temperatura o luce. Questi materiali possono adottare inizialmente una forma temporanea e successivamente trasformarsi in una forma o geometria diversa in risposta ai cambiamenti degli stimoli esterni. La caratteristica di alterazione della forma di questi materiali è vantaggiosa negli interventi chirurgici minimamente invasivi o nelle laparoscopie in cui l’impianto del biomateriale è associato a cambiamenti stimolati dalla temperatura che portano alla transizione del materiale in strutture più biomimetiche dopo l’impianto. La micro e nanofabbricazione di biomolecole per la creazione di microchip, microneedles o biosensori sono utili per applicazioni in vitro e in vivo che coinvolgono saggi biologici ad alta produttività, bio-sensing, coltura e differenziazione cellulare, consegna e terapia. Queste tecnologie hanno arricchito il campo dei biomateriali combinando gli approcci multidisciplinari che comprendono i campi dell’ingegneria, della scienza dei materiali, della chimica, della biotecnologia e della medicina. Il design dei biomateriali della prossima generazione dipende specificamente dall’ingegneria controllata e di precisione dei materiali per una maggiore accuratezza in termini di struttura, proprietà e funzione, che si basano fortemente su materiali derivati da biomolecole. Nel processo di fabbricazione di materiali derivati da biomolecole, è estremamente importante mantenere la relazione struttura-funzione delle biomolecole al momento della loro trasformazione in biomateriali.

Questo articolo di revisione è organizzato in diverse sezioni basate sul tipo di biomolecola impiegato per fabbricare biomateriali che includono una sezione speciale sulle loro applicazioni. Nel complesso, presentiamo al lettore esempi selezionati e rappresentativi di diverse classi di biomateriali derivati da biomolecole con potenziali applicazioni biomediche che vanno dalla diagnosi, l’efficacia antimicrobica, le terapie anticancro, la medicina rigenerativa alla consegna di farmaci e l’ingegneria dei tessuti. La discussione è diretta a progetti e applicazioni realistiche dei biomateriali in cui le biomolecole integrate giocano ruoli cruciali al di là delle loro funzioni specifiche. La copertura e la discussione si concentrano su diverse strategie di progettazione che utilizzano varie biomacromolecole come proteine, acidi nucleici, carboidrati e lipidi per la fabbricazione di biomateriali intelligenti. Inoltre, descriviamo approcci minimalisti o riduzionistici in cui oligomeri e blocchi di base (monomeri) di biomacromolecole come peptidi, peptidomimetici, oligonucleotidi, oligosaccaridi, acidi grassi, aminoacidi, nucleotidi, zuccheri e le loro combinazioni sono usati per produrre biomateriali per imitare i sistemi naturali. La discussione è organizzata sistematicamente in modo tale che i biomateriali derivati da biomacromolecole sono descritti sotto le sezioni dedicate ai biomateriali derivati da proteine, acidi nucleici, carboidrati e lipidi. Sotto ogni sezione, discutiamo approcci riduzionistici per progettare e fabbricare biomateriali utilizzando oligomeri o blocchi di base (monomeri) delle biomacromolecole. L’obiettivo principale di questo articolo è di presentare rapporti significativi dalla letteratura nel tentativo di fornire una percezione incantevole dei biomateriali derivati dalle biomolecole. Inoltre, ci sono alcuni esempi di crossover in cui due o più tipi di biomolecole insieme a molecole e materiali sintetici sono impiegati per progettare biomateriali che sono coperti nella sezione biomateriali ibridi. La discussione approfondita e critica sulla progettazione, la fabbricazione e le applicazioni di biomateriali derivati da biomolecole è presentata considerando esempi appropriati e importanti di ogni tipo di biomolecola. Infine, offriamo lo stato attuale e le prospettive future di questo campo emergente nella sezione delle conclusioni e delle prospettive. Oltre a presentare i dati della letteratura primaria scelta, forniamo ogni sezione con le illustrazioni necessarie e le prospettive future considerando l’abbondanza naturale, l’utilità, la fonte pratica e le applicazioni dei biomateriali derivati da biomolecole.