Material biomimético
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Los materiales biomiméticos son materiales desarrollados inspirados en la naturaleza . Esto puede resultar útil en el diseño de materiales compuestos . Las estructuras naturales han inspirado e innovado las creaciones humanas. [1] Ejemplos notables de estas estructuras naturales incluyen: estructura de panal de abejas, resistencia de las sedas de araña, mecánica de vuelo de aves y repelencia al agua de la piel de tiburón . [2] Las raíces etimológicas del neologismo (nuevo término) biomimético derivan del griego, ya que bios significa "vida" y mimetikos significa "imitativo",

Ingeniería de tejidos

Materiales biomiméticos en ingeniería de tejidos son materiales que han sido diseñados de tal manera que elicit especifican respuestas celulares mediadas por interacciones con el andamio-tethered péptidos de matriz extracelular (ECM) proteínas ; esencialmente, la incorporación de péptidos de unión a células en biomateriales mediante modificación química o física. [3] Los aminoácidos ubicados dentro de los péptidos son utilizados como bloques de construcción por otras estructuras biológicas. Estos péptidos a menudo se denominan " péptidos de autoensamblaje ", ya que pueden modificarse para contener motivos biológicamente activos.. Esto les permite replicar información derivada de tejidos y reproducir la misma información de forma independiente. Por tanto, estos péptidos actúan como bloques de construcción capaces de realizar múltiples actividades bioquímicas, incluida la ingeniería de tejidos. [4] La investigación de ingeniería de tejidos que se está realizando actualmente en péptidos de cadena corta y de cadena larga se encuentra todavía en sus primeras etapas.

Dichos péptidos incluyen tanto cadenas largas nativas de proteínas ECM como secuencias de péptidos cortas derivadas de proteínas ECM intactas. La idea es que el material biomimético imitará algunas de las funciones que desempeña un ECM en el tejido neural . Además de promover el crecimiento y la movilización celular, los péptidos incorporados también podrían mediar por enzimas proteasas específicas o iniciar respuestas celulares que no están presentes en un tejido nativo local. [3]

Al principio, se usaban cadenas largas de proteínas ECM que incluían fibronectina (FN), vitronectina (VN) y laminina (LN), pero más recientemente se han descubierto las ventajas de usar péptidos cortos. Los péptidos cortos son más ventajosos porque, a diferencia de las cadenas largas que se pliegan aleatoriamente tras la adsorción, provocando que los dominios proteicos activos no estén disponibles estéricamente , los péptidos cortos permanecen estables y no ocultan los dominios de unión al receptor cuando se adsorben. Otra ventaja de los péptidos cortos es que se pueden replicar de forma más económica debido al tamaño más pequeño. Se utiliza un reticulante bifuncional con un brazo espaciador largo para unir péptidos al sustrato.superficie. Si no se dispone de un grupo funcional para unir el reticulante, se puede utilizar la inmovilización fotoquímica . [3]

Además de modificar la superficie, los biomateriales se pueden modificar a granel, lo que significa que los péptidos de señalización celular y los sitios de reconocimiento están presentes no solo en la superficie sino también en la mayor parte del material. La fuerza de la unión celular, la velocidad de migración celular y el grado de formación de la organización citoesquelética están determinadas por la unión del receptor al ligando unido al material; por tanto, la afinidad receptor-ligando, la densidad del ligando y la distribución espacial del ligando deben considerarse cuidadosamente al diseñar un material biomimético. [3]

Mineralización biomimética

Las proteínas de la matriz extracelular del esmalte en desarrollo (como la amelogenina ) controlan la deposición mineral inicial ( nucleación ) y el crecimiento cristalino posterior, determinando finalmente las propiedades físico-mecánicas del tejido mineralizado maduro. Los nucleadores unen iones minerales de los fluidos circundantes (como la saliva) en forma de una estructura de red cristalina, estabilizando pequeños núcleos para permitir el crecimiento de cristales, formando tejido mineral. [5] Las mutaciones en las proteínas ECM del esmalte dan como resultado defectos del esmalte como la amelogénesis imperfecta . Se cree que el colágeno de tipo I tiene un papel similar en la formación de dentina y hueso. [6] [7]

El mineral del esmalte dental (así como la dentina y el hueso) está hecho de hidroxiapatita con iones extraños incorporados en la estructura. El carbonato , el fluoruro y el magnesio son los sustituyentes heteroiónicos más comunes. [8]

En una estrategia de mineralización biomimética basada en la histogénesis del esmalte normal , se forma un andamio tridimensional para atraer y organizar iones de calcio y / o fosfato para inducir la precipitación de novo de hidroxiapatita. [9]

Se han aplicado dos estrategias generales. Uno está utilizando fragmentos conocidos por sustentar las proteínas de mineralización natural, como la amelogenina, el colágeno o la dentina fosfoforina como base. [10] Alternativamente, las estructuras macromoleculares de novo han sido diseñadas para soportar la mineralización, no basadas en moléculas naturales, sino en un diseño racional. Un ejemplo es el oligopéptido P11-4 . [11]

En ortopedia e implantes dentales, una estrategia más tradicional para mejorar la densidad del hueso de la mandíbula subyacente es mediante la aplicación in situ de materiales de fosfato de calcio. Los materiales comúnmente utilizados incluyen hidroxiapatita, fosfato tricálcico y cemento de fosfato cálcico . [12] Los vidrios bioactivos más nuevos siguen esta línea de estrategia, donde la silicona agregada proporciona una ventaja importante para la absorción local de calcio. [13]

Proteínas de la matriz extracelular

Muchos estudios utilizan laminina-1 al diseñar un material biomimético. La laminina es un componente de la matriz extracelular que puede promover la unión y diferenciación neuronal, además de la guía del crecimiento de los axones . Su sitio funcional principal para la bioactividad es su dominio proteico central isoleucina - lisina - valina - alanina - valina (IKVAV), que se encuentra en la cadena α-1 de la laminina. [14]

Un estudio reciente de Wu, Zheng et al., Sintetizó una nanofibra de péptido IKVAV autoensamblado y probó su efecto sobre la adhesión de células pc12 similares a neuronas . La adhesión celular temprana es muy importante para prevenir la degeneración celular; cuanto más tiempo se suspenden las células en cultivo, más probabilidades hay de que degeneren. El propósito fue desarrollar un biomaterial con buena adherencia celular y bioactividad con IKVAV, que sea capaz de inhibir la diferenciación y adhesión de las células gliales además de promover la adhesión y diferenciación de las células neuronales . [14]El dominio del péptido IKVAV está en la superficie de las nanofibras de modo que esté expuesto y accesible para promover interacciones de contacto celular. Las nanofibras IKVAV promovieron una adherencia celular más fuerte que la atracción electrostática inducida por poli-L-lisina , y la adherencia celular aumentó al aumentar la densidad de IKVAV hasta que se alcanzó el punto de saturación. IKVAV no exhibe efectos dependientes del tiempo porque se demostró que la adherencia es la misma a la 1 hora ya las 3 horas. [14]

Se sabe que la laminina estimula el crecimiento de neuritas y desempeña un papel en el desarrollo del sistema nervioso. Se sabe que los gradientes son fundamentales para la orientación de los conos de crecimiento hacia sus tejidos diana en el sistema nervioso en desarrollo . Se han realizado muchas investigaciones sobre gradientes solubles; sin embargo, se ha puesto poco énfasis en los gradientes de sustancias de la matriz extracelular unidas al sustrato, como la laminina. [15]Dodla y Bellamkonda, fabricaron un gel de agarosa 3D anisotrópico con gradientes de laminina-1 acoplada (LN-1). Se demostró que los gradientes de concentración de LN-1 promueven una extensión de neuritas más rápida que la tasa de crecimiento de neuritas más alta observada con concentraciones isotrópicas de LN-1. Las neuritas crecieron tanto hacia arriba como hacia abajo en los gradientes, pero el crecimiento fue más rápido en los gradientes menos pronunciados y fue más rápido en los gradientes que en los gradientes. [15]

Músculos artificiales biomiméticos

Los polímeros electroactivos (EAP) también se conocen como músculos artificiales. Los EAP son materiales poliméricos y pueden producir una gran deformación cuando se aplican en un campo eléctrico. Esto proporciona un gran potencial en aplicaciones en biotecnología y robótica, sensores y actuadores. [dieciséis]

Estructuras fotónicas biomiméticas

Artículo principal: Fotónica bioinspirada

La producción de colores estructurales concierne a una gran variedad de organismos. Desde bacterias ( Flavobacterium cepa IR1) [17] hasta organismos multicelulares, ( Hibiscus trionum , [18] Doryteuthis pealeii (calamar), [19] o Chrysochroa fulgidissima (escarabajo) [20] ), la manipulación de la luz no se limita a raras y formas de vida exóticas. Diferentes organismos desarrollaron diferentes mecanismos para producir colores estructurales: cutícula multicapa en algunos insectos [20] y plantas, [21] como superficie de rejilla en las plantas, [18]células organizadas geométricamente en bacterias ... todos los temas representan una fuente de inspiración para el desarrollo de materiales estructuralmente coloreados. El estudio del abdomen de la luciérnaga reveló la presencia de un sistema de 3 capas que comprende la cutícula, la capa fotogénica y luego una capa reflectora. La microscopía de la capa reflectora reveló una estructura granulada. Directamente inspirada en la capa reflectora de la mosca de fuego, una película de granulado artificial compuesta de perlas huecas de sílice de aproximadamente 1,05 μm se correlacionó con un alto índice de reflexión y podría usarse para mejorar la emisión de luz en sistemas quimioluminiscentes . [22]

Enzima artificial

Las enzimas artificiales son materiales sintéticos que pueden imitar la función (parcial) de una enzima natural sin ser necesariamente una proteína. Entre ellos, algunos nanomateriales se han utilizado para imitar enzimas naturales. Estos nanomateriales se denominan nanozimas. Las nanoenzimas, así como otras enzimas artificiales, han encontrado amplias aplicaciones, desde biosensores e inmunoensayos, hasta el crecimiento de células madre y la eliminación de contaminantes. [23]

Compuesto biomimético

Los compuestos biomiméticos se fabrican imitando estrategias de diseño naturales. Se han estudiado los diseños o estructuras que se encuentran en animales y plantas y estas estructuras biológicas se aplican para fabricar estructuras compuestas. El investigador está utilizando técnicas de fabricación avanzadas como la impresión 3D para fabricarlos. [24]

Referencias

  1. ^ Diseño de materiales inspirado en la naturaleza, Editores: Peter Fratzl, John Dunlop, Richard Weinkamer, Royal Society of Chemistry, Cambridge 2013, https://pubs.rsc.org/en/content/ebook/978-1-84973-755 -5
  2. ^ "7 ejemplos asombrosos de biomimetismo" . Consultado el 28 de julio de 2014 .
  3. ^ a b c d Shin, H., S. Jo y AG Mikos, Materiales biomiméticos para la ingeniería de tejidos . Biomaterials, 2003. 24: p. 4353-5364.
  4. ^ Cavalli, Silvia (2009). "Péptidos anfifílicos y su papel interdisciplinario como bloques de construcción para la nanociencia" (PDF) . Reseñas de la Sociedad Química . 39 (1): 241–263. doi : 10.1039 / b906701a . PMID 20023851 . Archivado desde el original (PDF) el 4 de octubre de 2013 . Consultado el 3 de octubre de 2013 .  
  5. ^ Cocine a fuego lento, JP y Fincham, AG (1995). "Mecanismos moleculares de formación de esmalte dental" . Revisiones críticas en biología y medicina oral . 6 (2): 84–108. doi : 10.1177/10454411950060020701 . PMID 7548623 . 
  6. ^ Wright, JT; Hart, PS; et al. (2003). "Relación de fenotipo y genotipo en amelogénesis imperfecta ligada al cromosoma X". Investigación del tejido conectivo . 44 (1): 72–78. doi : 10.1080 / 03008200390152124 . PMID 12952177 . S2CID 12455593 .  
  7. ^ Kim, JW; Seymen, F .; et al. (Marzo de 2005). "Mutaciones de ENAM en Amelogénesis Imperfecta autosómica dominante". Revista de Investigación Dental . 84 (3): 278–282. doi : 10.1177 / 154405910508400314 . PMID 15723871 . S2CID 464969 .  
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