ReviewBiomateriale derivate din biomolecule

Biomoleculele sunt fundamentale pentru toate formele de viață, inclusiv microorganisme, plante și animale, datorită structurii și funcției lor unice, responsabile de reproductibilitate, durabilitate și mortalitate. Monomerii, oligomerii și macromoleculele, cum ar fi aminoacizii, peptidele, proteinele, nucleobazele, nucleotidele, oligonucleotidele, acizii nucleici (ADN/ARN), monosacaridele, oligosacaridele, polizaharidele și lipidele reprezintă principalele elemente constitutive ale vieții , , , ]. Se crede că elementele constitutive moleculare ale vieții s-au transformat progresiv în structura lor moleculară actuală de-a lungul a miliarde de ani, prin procesul de evoluție, pentru a ajunge la proprietățile de recunoaștere moleculară extrem de sofisticate la care asistăm astăzi. Proprietatea fascinantă de recunoaștere moleculară a biomoleculelor este vitală pentru a menține structura și activitatea funcțională a tuturor organismelor vii. Unul dintre atributele fascinante ale biomoleculelor este capacitatea lor de a se organiza ierarhic pentru a produce sisteme și materiale biologice rigide și flexibile. De exemplu, biomacromoleculele precum colagenul, cheratina și elastina pot forma ansambluri funcționale, gelatina formează un gel robust și consumabil, mătasea formează fibre de înaltă rezistență (amiloid funcțional) și geluri, în timp ce unele peptide și proteine produc structuri amiloide toxice care provoacă boli. Interacțiunile inter și intramoleculare și organizarea remarcabilă a biomoleculelor, determinate de recunoașterea moleculară, sunt esențiale pentru formarea materialelor biologice . Această putere exemplară a biomoleculelor și a materialelor biologice ale acestora a fost sursa de inspirație pentru chimiștii și biologii specializați în materiale pentru a dezvolta noi cadre biomateriale . Proprietățile chimice, biologice și mecanice intrigante ale biomoleculelor joacă un rol major în fabricarea de noi biomateriale, fie prin procesare directă, fie în combinație cu materiale sintetice .

Sinergia și interacțiunea omniprezentă a biomoleculelor sunt importante pentru a menține fidelitatea vieții. Discrepanța rezultată din orice tip de boală sau traumă ar putea perturba interconectarea dintre biomoleculele din cadrul sistemului de mașini vii. Deformarea structurală sau deteriorarea țesuturilor și a organelor poate provoca nenumărate handicapuri și boli umane. Limitarea majoră constă în faptul că organismul uman nu-și poate autoregera majoritatea organelor sale dacă este compromis în condiții fiziologice nefavorabile. În acest context, utilizarea de materiale derivate din biomolecule sub formă de implanturi permanente sau de înlocuitori regenerativi pentru țesuturile și organele afectate este foarte căutată în științele biomedicale. Transformarea biomoleculelor în materiale de importanță biomedicală asigură biocompatibilitatea și imită mediul in vivo al corpului uman pentru a declanșa procesele de vindecare. Aceste materiale derivate fie din biomolecule, fie din combinații ale acestora cu materiale sintetice în vederea utilizării în aplicații biomedicale sunt denumite biomateriale derivate din biomolecule.

Bomaterialele derivate din biomolecule pot fi proiectate pentru a lua diverse forme care, singure sau ca parte a unui sistem complex, sunt utilizate pentru interacțiunea cu componentele sistemelor vii și se anticipează că vor genera efecte diagnostice sau terapeutice în medicina umană sau veterinară. Biomaterialele necesare pentru diverse aplicații biomedicale pot fi derivate din materiale naturale sau sintetice, în timp ce hibrizii dintre cele două tipuri de materiale sunt foarte răspândiți datorită capacității unice de îmbunătățire a proprietăților chimice, biologice și mecanice. Organizarea ierarhică a materialelor biologice se întinde pe scări mari de lungime, de la scară moleculară, nano, micro și până la scară macro. Arhitectura ierarhică inerentă a materialelor biologice influențează funcțiile acestora în diverse tipuri de țesuturi și organe ale corpului uman. Datorită naturii lor biologice inerente, sistemele de materiale derivate din biomolecule oferă nenumărate avantaje, cum ar fi biocompatibilitatea, recunoașterea biomoleculară, capacitatea de reacție la stimuli biologici și flexibilitatea de a se adapta în mediul biochimic complex-heterogen . În ciuda proprietăților bune ale materialelor, cum ar fi rezistența mecanică, rigiditatea și durabilitatea, aplicațiile biomateriale ale materialelor sintetice suferă de o biocompatibilitate slabă, care este responsabilă de respingerea materialelor de către organismul uman. Respingerea materialelor este o preocupare majoră în dezvoltarea și utilizarea biomaterialelor, care poate fi depășită prin încorporarea adecvată a biomoleculelor în biomaterialele derivate din sinteză pentru a genera materiale hibride cu caracteristici structurale, funcționale și de biocompatibilitate superioare. De fapt, instrumentele și implanturile derivate din materiale biologice erau omniprezente în practica clinică din cele mai vechi timpuri. De exemplu, coralii și lemnele au fost folosite ca implanturi dentare, în timp ce fibrele de mătase au fost folosite ca suturi . Cu toate acestea, utilizarea antică a materialelor biologice era lipsită de un design sofisticat și de o inginerie de precizie care se regăsește în designul și aplicațiile moderne ale biomaterialelor. Celuloza, cheratina, colagenul și mătasea sunt materii prime biologice ușor accesibile cu proprietăți materiale fascinante, care constituie o parte semnificativă a cercetării în domeniul biomaterialelor datorită proprietăților chimice, biologice și mecanice favorabile necesare pentru prelucrarea și fabricarea biomaterialelor (Fig. 1) .

În ultimele decenii, progresele în cercetarea biomedicală au făcut posibilă proiectarea și fabricarea biomaterialelor derivate din biomolecule. Prelucrarea și modificarea în soluție a biomoleculelor sau integrarea acestora cu alte materiale naturale și sintetice conduc la asimilarea unor proprietăți chimice, fizice, mecanice și biomimetice diverse pentru a genera sisteme și dispozitive biomateriale cu răspuns clinic . Secolul XX a fost martorul unor inovații remarcabile în dezvoltarea de materiale funcționale artificiale cu aplicații potențiale în biomedicină și în tehnologiile medicale . Concentrarea continuă asupra exploatării materialelor artificiale în medicina clinică subliniază necesitatea încorporării de biomolecule pentru a îmbunătăți caracteristicile biomimetice ale acestora (Fig. 2). În acest context, optimizarea caracteristicilor structurale și funcționale ale biomaterialelor hibride derivate prin interfațarea biomoleculelor și a materialelor sintetice devine esențială pentru a spori eficacitatea terapeutică a acestora. De fapt, integrarea biomoleculelor cu materialele sintetice conduce la asimilarea unor caracteristici funcționale duble, și anume caracteristici biologice și proprietăți materiale, în cadrul sistemelor biomateriale derivate. Evoluțiile recente în proiectarea biomaterialelor au permis includerea unei multitudini de funcționalități chimice și biologice în sistemele sintetice și hibride pentru a le spori relevanța funcțională și biocompatibilitatea cu mediul celular și tisular. Progresul în știința și tehnologia biomedicală a dus la acumularea de cunoștințe vaste despre mediile in vitro și in vivo, ceea ce a permis cercetătorilor să adopte fidelitatea în proiectare în locul abordărilor empirice pentru a dezvolta noi biomateriale prin strategii inovatoare care imită mediul extra- și intercelular al țesuturilor și organelor (Fig. 3) . Proiectarea și fabricarea biomaterialelor implică, de obicei, selectarea unui material natural sau sintetic adecvat și prelucrarea materialului ales în formatul necesar, cu proprietăți mecanice adecvate, utilizând transformări chimice și mecanice biocompatibile . Fabricarea biomaterialelor trebuie să îndeplinească, de obicei, următoarele criterii: i) arhitectura completă a designului să fie de natură foarte biocompatibilă, care să favorizeze aderența necesară și creșterea celulară, pe lângă o bună viabilitate celulară; ii) să accelereze difuzarea moleculelor mici, a metaboliților sau a nutrienților în interiorul celulei sau al țesutului, iii) să prevină invazia sau migrarea spre exterior a speciilor reactive, iv) să nu inducă un răspuns inflamator, teratogenitate sau alte efecte adverse asupra sănătății, v) să posede o stabilitate chimică și biologică prelungită în plasmă, vi) să prezinte o cinetică de degradare excelentă și necesară și vii) să faciliteze caracterizarea in vivo .

Succesul biomaterialelor derivate din biomolecule depinde în mod predominant de menținerea integrității structurale și funcționale a biomoleculelor în cadrul sistemului sau dispozitivului fabricat, urmată de utilizarea biomedicală eficientă a acestora. Întregul proces de interacțiune a biomaterialului derivat din biomolecule cu celula sau țesutul și răspunsul rezultat constituie un sistem de triade de inginerie tisulară, în care biomoleculele acționează în sinergie ca elemente structurale de construcție ale celulei și conjugate funcționale ale materialelor pentru a imita relația structură-funcție a sistemelor biologice naturale. În acest context, cunoașterea prealabilă a relației structură-funcție a biomoleculelor, de exemplu, a informațiilor privind structurile primare, secundare, terțiare și cuaternare ale proteinelor este crucială pentru a le utiliza în mod eficient în fabricarea unui biomaterial specific . Biomoleculele prezintă caracteristici chimice și fizice diferite și răspund în mod distinct la stimulii din mediul înconjurător și, prin urmare, înțelegerea structurii și chimiei biomoleculelor în soluție, în stare solidă și la interfață este crucială . În sistemele biologice, biomoleculele prezintă o capacitate de recunoaștere moleculară și de interacțiune fără precedent pentru a controla comportamentul și activitatea celulară. Integrarea biomoleculelor în cadrul de proiectare a biomaterialelor include în mod predominant exploatarea acestor trăsături caracteristice pentru a interoga celulele și mediul in vivo în condiții de leziuni sau boli. Încorporarea biomoleculelor integrează caracteristicile de biocompatibilitate și optimizează interacțiunile in vivo prin contactul cu țesutul sau organul într-o manieră receptivă. Cu toate acestea, complexitatea structurală inerentă și originea biologică a biomoleculelor pot instiga reacții biologice naturale nedorite ale organismului, ceea ce poate împiedica aplicarea lor clinică. Prin urmare, trebuie abordate preocupările legate de instabilitatea chimică și biologică, răspunsul imunitar și respingerea naturală, rentabilitatea, complicațiile în proiectare și alte aspecte de reglementare. Mai mult, este necesară integrarea sinergică a proprietăților materialelor biologice și sintetice prin proiecte simple, rentabile, minimaliste și ghidate de studii privind relația structură-funcție pentru a produce biomateriale noi cu aplicații potențiale.

Cu apariția tehnicilor moderne de caracterizare, controlul asupra proprietăților structurii-funcție ale biomaterialelor s-a îmbunătățit în ultimul timp . Mai mult, nevoia de integrare a biomoleculelor cu sistemele de materiale sintetice pentru a obține compoziții chimice superioare, organizații ierarhice mai bine ordonate și o caracteristică biomimetică într-un biomaterial este acum mai evidentă ca niciodată. Proiectarea și fabricarea biomaterialelor derivate din biomolecule sunt ghidate atât de interacțiunile covalente, cât și de cele necovalente, în funcție de tipul de material și de aplicație. În natură, ansamblurile tridimensionale (3D) ale biomoleculelor depind în principal de secvența de monomeri mediată de legături covalente. Ulterior, structurile de ordin superior cu diferite niveluri de complexitate și funcționalități sensibile ale sistemelor biomoleculare sunt asamblate în cadrul unei construcții definite prin intermediul unui proces dinamic de asamblare moleculară condus de interacțiuni necovalente. În acest sens, ingineria și fabricarea biomoleculelor în biomateriale de interes trebuie să ia în considerare combinația potrivită de rigiditate a conformației rezultată din modificările covalente, precum și flexibilitatea și relevanța funcțională obținute în urma proceselor de asamblare multicomponentă. Pentru a depăși constrângerile legate de translație, au fost dezvoltate instrumente avansate și de mare randament, cum ar fi apariția materialelor cu memorie de formă sau a materialelor sensibile la stimuli, a microrețelelor, a tehnicilor de microfabricare și nanofabricare și a tehnicilor litografice, pentru a genera biomateriale inteligente bine definite din punct de vedere topografic și funcțional. Bioingineria este un alt domeniu sofisticat și avansat de cercetare pentru a modifica și adopta mașinăria biomoleculară naturală pentru sinteza de biopolimeri naturali și modificați. Există mai multe microorganisme naturale și modificate care acționează ca bio-mașini sau fabrici vii pentru a sintetiza mai mulți poliesteri și poliamide biopolimerice. De exemplu, familia de bacterii gram-pozitive Bacillus species și bacteriile gram-negative Fusobacterium nucleatum sunt utilizate pentru a sintetiza acidul poliglutamic în prezența enzimei acid poliglutamic sintetază. În mod similar, poliesterii polihidroxialconați sunt sintetizați de mai multe bacterii și archaea . În acest context, ingineria genetică are potențialul de a produce o varietate de biopolimeri cu proprietăți personalizate.

Împreună cu tehnologiile de mare randament și ingineria genetică, tehnicile de secvențiere de generație următoare și tehnicile de imagistică au lărgit domeniul de aplicare ca instrumente de caracterizare pentru a examina comportamentul celular la interacțiunile cu biomaterialele . În acest context, materialele cu memorie de formă sau materialele sensibile la stimuli sunt deosebit de interesante, deoarece pot adopta conformații geometrice diferite ca răspuns la stimuli externi, cum ar fi pH-ul, temperatura sau lumina . Aceste materiale pot adopta inițial o formă temporară și, ulterior, pot fi transformate într-o formă sau geometrie diferită ca răspuns la modificări ale stimulilor externi. Caracteristica de modificare a formei acestor materiale este benefică în cazul intervențiilor chirurgicale minim invazive sau laparoscopice, în care implantarea biomaterialului este asociată cu schimbări stimulate de temperatură care au ca rezultat tranziția materialului în structuri mai biomimetice după implantare. Microfabricarea și nanofabricarea biomoleculelor în vederea creării de microcipuri, microace sau biosenzori sunt utile pentru aplicații in vitro și in vivo care implică teste biologice de mare capacitate, biodetecție, cultură și diferențiere celulară, administrare și terapie. Aceste tehnologii au îmbogățit domeniul biomaterialelor prin combinarea abordărilor multidisciplinare care cuprind domeniile ingineriei, științei materialelor, chimiei, biotehnologiei și medicinei . Proiectarea biomaterialelor de generație următoare depinde în mod specific de ingineria controlată și de precizie a materialelor pentru o mai mare acuratețe în ceea ce privește structura, proprietatea și funcția, care se bazează în mare măsură pe materiale derivate din biomolecule. În procesul de fabricare a materialelor derivate din biomolecule, este extrem de important să se mențină relația structură-funcție a biomoleculelor în momentul transformării lor în biomateriale.

Acest articol de sinteză este organizat în diferite secțiuni pe baza tipului de biomolecule utilizate pentru fabricarea biomaterialelor, care includ o secțiune specială privind aplicațiile acestora. În general, prezentăm cititorului exemple selecționate și reprezentative de diverse clase de biomateriale derivate din biomolecule cu potențiale aplicații biomedicale, de la diagnosticare, eficacitate antimicrobiană, terapii anticancerigene, medicină regenerativă până la administrarea de medicamente și inginerie tisulară. Discuția este orientată spre modele și aplicații realiste ale biomaterialelor în care biomoleculele integrate joacă roluri cruciale dincolo de funcțiile lor specifice. Tematica și discuțiile se axează pe diferite strategii de proiectare care utilizează diverse biomacromolecule, cum ar fi proteinele, acizii nucleici, carbohidrații și lipidele pentru fabricarea biomaterialelor inteligente. În plus, descriem abordări minimaliste sau reducționiste în care oligomerii și blocurile de bază (monomeri) ale biomacromoleculelor, cum ar fi peptidele, peptidomimeticele, oligonucleotidele, oligozaharidele, acizii grași, aminoacizii, aminoacizii, nucleotidele, zaharurile și combinațiile acestora sunt utilizate pentru a produce biomateriale care să imite sistemele naturale. Discuția este organizată în mod sistematic, astfel încât biomaterialele derivate din biomacromolecule sunt descrise în cadrul secțiunilor dedicate biomaterialelor derivate din proteine, acizi nucleici, carbohidrați și lipide. În cadrul fiecărei secțiuni, discutăm abordările reducționiste de proiectare și fabricare a biomaterialelor care utilizează oligomeri sau blocuri de bază (monomeri) ale biomacromoleculelor. Scopul principal al acestui articol este de a prezenta rapoarte semnificative din literatura de specialitate, în efortul de a oferi o percepție încântătoare a biomaterialelor derivate din biomolecule. În plus, există câteva exemple încrucișate în care două sau mai multe tipuri de biomolecule împreună cu molecule și materiale sintetice sunt utilizate pentru a proiecta biomateriale care sunt incluse în secțiunea biomateriale hibride. Discuția aprofundată și critică privind proiectarea, fabricarea și aplicațiile biomaterialelor derivate din biomolecule este prezentată prin luarea în considerare a unor exemple adecvate și importante pentru fiecare tip de biomoleculă. În cele din urmă, oferim situația actuală și perspectivele viitoare ale acestui domeniu emergent în secțiunea Concluzii și perspective. În plus față de prezentarea datelor din literatura primară aleasă, oferim în fiecare secțiune ilustrațiile necesare și perspectivele viitoare având în vedere abundența naturală, utilitatea, sursa practică și aplicațiile biomaterialelor derivate din biomolecule.

.