생물학은 현재 생물학적으로 파생된 재료가 인공 재료가 할 수 없는 주요 특성을 제공하기 때문에 엔지니어링 과제를 해결하는 데 사용되고 있습니다. 생체 재료라고도 하는 바이오 유래 물질은 살아있는 유기체또는 한 때 살아있는 유기체에서 만들어집니다. 이러한 물질은 생체 적합성이 있으며 생체 분자와 세포를 수용 할 수있는 행렬역할을 할 수 있기 때문에 최근 인기를 얻고 있습니다. 이 비디오는 여러 가지 바이오 파생 자료를 소개하고 현장에서 공통기술과 과제를 소개합니다.
생물 공학 연구에 사용되는 많은 생물학적 파생 폴리머 또는 바이오 폴리머가 있습니다. 첫째, 콜라겐은 전형적으로 소 피부, 힘줄 및 뼈, 심지어 쥐 꼬리에서 파생된 널리 사용되는 단백질 폴리머이다. 콜라겐 섬유는 재료 강도와 강성을 제공하는 트리플 나선 구조를 가지고 있습니다. 이 특성 때문에 콜라겐은 인공 조직과 같은 뼈와 피부에서 특히 엔지니어링 조직 구조의 구조적 구성 요소로 자주 사용됩니다. 또 다른 일반적인 단백질 폴리머는 실크 나방 애벌레의 고치에서 파생되는 실크입니다. 이 단백질의 이차 구조는 높은 강도와 유연성을 가능하게 베타 시트의 광대 한 결정 영역을 가지고있다. 콜라겐과 마찬가지로 실크는 일반적으로 피부와 근육과 같은 유연한 조직에서 인공 조직의 구조적 구성 요소로 자주 사용됩니다. 그러나 실크는 전기 장치 기판뿐만 아니라 광학 장치에 대한 박막으로도 캐스팅됩니다. 또 다른 생체 중합체인 키토산은 게나 랍스터와 같은 갑각류 껍질에서 추출한 다당류입니다. 폴리머의 용해도는 pH 기반이다. 이를 통해 pH를 늘려 재료를 고화시킴으로써 제조 공정을 간단하게 제어할 수 있습니다. 치토산은 회생 조직과 생체 적합성이 있는 필름을 만들어 상처 치유에 자주 사용됩니다.
이제 이러한 생체 물질을 조작하는 데 사용되는 몇 가지 눈에 띄는 방법을 살펴 보겠습니다. 첫째, 생체 재료는 종종 증가 된 생체 적합성과 높은 친수 성 구조를 만들기 위해 하이드로 겔로 캐스팅된다. 하이드로겔은 수분 함량이 높은 고체 폴리머 네트워크이며 인공 조직에서 조직 구조로 자주 사용됩니다. 콜라겐을 사용하여 하이드로겔을 만들려면 먼저 성장 매체와 같은 수성 용액으로 폴리머를 가열한 다음 용액을 금형에 캐스팅합니다. 그런 다음 용액이 솔리드될 때까지 냉각됩니다. UV 교차 연결은 또한 폴리머 사슬에 잔류물을 공유하여 젤의 안정성을 향상시키는 데 사용될 수 있다. 대안적으로, 하이드로겔 비드는 교차 연결 용액에 중합체 용액을 드롭와이즈로 추가하여 형성될 수 있다. 구슬은 단백질에 있는 세포를 안정시키기 위하여 그 때 이용됩니다. 생체 재료는 또한 전기 방사을 통해 섬유질 매트를 형성하는 데 사용할 수 있습니다. 이 기술은 수집기 표면과 바이오 폴리머 용액을 포함하는 주사기의 끝 사이에 전기장을 적용하여 수행됩니다. 이것은 그 때 조직에 있는 세포외 매트릭스를 모방하는 구조물을 만드는 microscale 섬유의 대형을 유도합니다. 대안적으로, 생체 물질 박막은 전극을 통해 제조될 수 있다. 이를 위해, 전위는 생체 재료 용액을 포함하는 2개의 전극 세포에 적용된다. 생체 재료는 표면에 박막을 형성하는 전극 중 하나로 이동합니다. 이러한 박막은 표면 생체 적합성을 만들기 위해 사용될 수있다, 예를 들어, 세포에서 표면 조립 효소를 안정화. 이 경우, 키토산 박막은 효소 포도당 산화효소를 안정시한다. 또한, 생체 재료는 종종 박막을 형성하기 위해 표면에 투사용용액이다. 용액은 먼저 기판에 떨어뜨린 다음 모든 용매를 제거하기 위해 건조됩니다. 필름 두께는 용액의 부피 및 농도를 사용하여 제어됩니다.
생체 재료는 생명 공학에 널리 사용되지만, 그들의 사용과 관련된 내재된 도전이 있습니다. 첫째, 생체 재료는 그들의 근원 및 분자 구조에 의해 지배되는 자연적인 속성을 소유합니다. 이러한 재질은 광범위한 응용 프로그램에 대해 활용할 수 있지만 고유한 속성을 수정하는 것은 어려울 수 있습니다. 또한, 재료의 처리는 때로는 불리한 방법으로, 자신의 속성을 변경합니다. 생체 재료는 유기체 종 및 계절과 같은 환경 요인에 따라 다를 수 있는 천연 공급원에서 파생됩니다. 이로 인해 일괄 처리 간 가변성이 발생하여 최종 응용 프로그램에서 작은 차이가 발생할 수 있습니다. 마지막으로, 대부분의 생체 재료는 용해되어 안정성을 제한합니다. 일부 응용 프로그램에는 재료가 영구적으로 필요하기 때문에 수명을 연장하기 위해 교차 연결 또는 안정화 기술이 필요할 수 있습니다. 그러나 이로 인해 기계적 특성이 바람직하지 않게 변경될 수 있습니다.
생물학적으로 파생된 물질은 생명 공학 연구에서 광범위한 응용 분야에서 사용됩니다. 첫째, 생체 재료는 일반적으로 생분해성 및 생체 적합성이기 때문에 약물 전달 응용 분야에서 자주 사용됩니다. 예를 들어, 하이드로겔은 민감한 약물 분자를 보유할 수 있는 생체 적합성 매트릭스를 제공합니다. 그(것)들은 이렇게 약의 통제된 방출을 가능하게 하는 물질의 속성에 따라서 예측 가능한 속도로 저하합니다. 생체 재료는 특히 실크 봉합사와 키토산 기반붕대, 상처 치유용 접착제로 의학에서 광범위하게 사용되어 왔습니다. 이 예에서는, 키토산 외과 접착제 필름은 의학 진단 염료로 제조되었다. 그(것)들은 나중에 봉합사에 대한 대안으로 상처를 닫기 위하여 절단 조직을 통해 융합되었습니다. 생체 재료 분야의 진화 영역은 단백질 및 DNA와 같은 다른 생체 분자를 폴리머 물질로 취급합니다. 이를 위해 DNA 가닥은 DNA 종이 접기라고 불리는 복잡한 구조와 패턴으로 DNA 가닥의 정확한 접을 유도하는 특정 서열로 설계되었습니다. 이러한 구조는 생물학적 단서를 감지하거나 모양을 변경하거나 임베디드 생체 분자를 방출할 수 있는 기능적인 어셈블리를 만드는 데 사용될 수 있습니다.
생물학적으로 파생된 재료에 대한 JoVE의 개요를 방금 시청했습니다. 이제 몇 가지 일반적인 생체 재료의 기원과 특성, 실험실에서 이를 처리하는 데 사용되는 일부 기술 및 사용과 관련된 몇 가지 문제를 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.
