생체인터페이스

Biointerface

생체인터페이스는 생체분자, 세포, 생물조직 또는 살아있는 유기체 또는 다른 생체물질 또는 무기/유기물질과 함께 사는 것으로 간주되는 유기물질 사이의 접촉 지역이다. 생체인터페이스 과학의 동기는 생체 분자와 표면 사이의 상호작용에 대한 이해를 높여야 하는 긴급한 필요성에서 비롯된다. 재료 인터페이스에서 복잡한 고분자 시스템의 동작은 생물학, 생명공학, 진단, 의학 분야에서 중요하다. 생체인터페이스 과학은 생물분자(펩타이드 핵산, 펩타미메틱스, 압타머, 리보임, 공학적 단백질)의 새로운 계층을 합성하는 생화학자들이 분자 정밀도(최소 탐사법, 나노 및 마이크로 c)로 생체분자를 위치시키는 도구를 개발한 과학자들과 협력하는 다원적 분야다.온트액트 방법, e-빔과 X선 석판화, 그리고 상향 자가 조립 방법, 고체-액체 인터페이스에서 이러한 분자를 심문하는 새로운 분광 기법을 개발한 과학자들, 그리고 이것을 기능적 장치에 통합하는 사람들(응용 물리학자, 분석 화학자, 생물 공학자)이다.[1] 잘 설계된 생체인터페이스는 생물학적 물질이 다른 무기물 또는 유기물질과 상호작용할 수 있는 최적화된 표면을 제공하여 바람직한 상호작용을 촉진할 수 있다.[2]

관심 주제에는 다음이 포함되지만 이에 국한되지는 않는다.

바이오인터페이스 관련 분야는 바이오소독, 바이오센서, 의료용 임플란트 등이 있다.

나노 구조 인터페이스

나노기술은 바이오인터페이스의 창조를 위해 많은 다양한 가능성을 만들 수 있게 한 급속도로 성장하고 있는 분야다. 바이오인터페이스에 흔히 사용되는 나노구조물은 금, 은 나노입자 등 금속 나노물질, 실리콘 나노와이어와 같은 반도체 물질, 탄소 나노물질, 나노소재 등이 있다.[3] 크기, 전도도, 시공 등 나노소재마다 고유한 특성이 많아 다양한 용도를 달성했다. 예를 들어 금 나노입자는 크기가 종양 부위에서 수동적으로 채취할 수 있기 때문에 암의 약물전달물질 역할을 하기 위해 기능화하는 경우가 많다.[4] 또한 그 예로 합성조직용 비계를 만들기 위해 나노소재의 실리콘 나노와이어를 사용하면 실리콘의 광전 성질에 따른 세포의 전기적 활동과 전기적 자극을 모니터링할 수 있다.[5] 인터페이스에서 생체 분자의 방향은 또한 pH, 온도 및 전기장과 같은 매개변수의 변조를 통해 제어될 수 있다. 예를 들어, 금색 전극에 접목된 DNA는 양의 전극 전위 도포 시 전극 표면에 더 가깝게 만들어질 수 있으며, 랜트 외 연구원이 설명한 바와 같이, 생체 분자 검출에 대한 스마트 인터페이스를 만드는 데 사용될 수 있다.[6] 마찬가지로 [7]샤오마 등은 전극에 고정된 압타머로부터 트롬빈을 결합/결합 해제하는 전기적 제어에 대해 논의하였다. 그들은 특정한 양의 잠재력을 적용하면, 트롬빈이 생체인터페이스로부터[8] 분리된다는 것을 보여주었다.

실리콘 나노와이어 인터페이스

실리콘은 반도체로서의 성질은 물론 풍부해 기술산업에서 흔히 쓰이는 소재다. 그러나 컴퓨터 칩 등에 사용되는 대량 형태는 바이오 인터페이스에 도움이 되지 않는다. 이러한 목적을 위해 실리콘 나노와이어(SiNW)가 자주 사용된다. 식각, 화학 증기 증착, 도핑 등 다양한 SiNW 성장 및 구성 방법을 통해 SiNW의 특성을 고유 용도에 맞게 맞춤화할 수 있다.[9] 이러한 독특한 용도의 한 예는 SiNW를 세포내 프로브나 세포외 장치에 사용되는 개별 와이어로 사용하거나 SiNW를 더 큰 매크로 구조로 조작할 수 있다는 것이다. 이러한 구조들은 합성 세포외 매트릭스를 만드는 데 사용될 수 있는 유연한 3D 마크로푸루스 구조로 조작될 수 있다. 티안 외 연구소의 경우, 비계에 있는 세포의 전기적 활동을 감시하는 데 사용할 수 있는 합성 조직 구조를 만들기 위한 방법으로 이들 구조물에 심근 세포가 배양되었다.[5] 티안 등이 만든 소자는 SiNW가 전계효과 트랜지스터(FET) 기반 소자라는 점을 활용한다. FET 장치는 장치의 표면 또는 이 경우 SiNW의 표면에서 전위 전하에 반응한다. FET 장치가 되는 것은 단일 SiNW를 바이오센싱 장치로 사용할 때도 활용할 수 있다. SiNW 센서는 표면에 특정 수용체를 포함하고 있어 각각의 항원에 묶일 때 전도성 변화를 일으킬 수 있는 나노와이어다. 이러한 센서는 최소한의 지속성으로 세포에 삽입될 수 있는 기능을 가지고 있어 어떤 면에서는 표적 라벨링이 필요한 다른 나노입자뿐만 아니라 형광 염료와 같은 전통적인 바이오센서보다 선호된다.[10]

참조

  1. ^ 바이오인터페이스, 편집자: Dietmar Hutmacher, Wojciech Chrsanowski, Royal Society of Chemistry, Cambridge 2015, https://pubs.rsc.org/en/content/ebook/978-1-78262-845-3
  2. ^ Nguyen, John V. L.; Ghafar-Zadeh, Ebrahim (2020-12-11). "Biointerface Materials for Cellular Adhesion: Recent Progress and Future Prospects". Actuators. 9 (4): 137. doi:10.3390/act9040137. ISSN 2076-0825.
  3. ^ Chen, Da; Wang, Geng; Li, Jinghong (2007). "Interfacial Bioelectrochemistry: Fabrication, Properties and Applications of Functional Nanostructured Biointerfaces". The Journal of Physical Chemistry C. 111 (6): 2351–2367. doi:10.1021/jp065099w.
  4. ^ Dreaden, Erik C; Austin, Lauren A; Mackey, Megan A; El-Sayed, Mostafa A (2017-01-26). "Size matters: gold nanoparticles in targeted cancer drug delivery". Therapeutic Delivery. 3 (4): 457–478. doi:10.4155/tde.12.21. ISSN 2041-5990. PMC 3596176. PMID 22834077.
  5. ^ a b Tian, Bozhi; Liu, Jia; Dvir, Tal; Jin, Lihua; Tsui, Jonathan H.; Qing, Quan; Suo, Zhigang; Langer, Robert; Kohane, Daniel S. (2012-11-01). "Macroporous nanowire nanoelectronic scaffolds for synthetic tissues". Nature Materials. 11 (11): 986–994. Bibcode:2012NatMa..11..986T. doi:10.1038/nmat3404. ISSN 1476-1122. PMC 3623694. PMID 22922448.
  6. ^ Rant, U.; Arinaga, K.; Scherer, S.; Pringsheim, E.; Fujita, S.; Yokoyama, N.; Tornow, M.; Abstreiter, G. (2007). "Switchable DNA interfaces for the highly sensitive detection of label-free DNA targets". Proceedings of the National Academy of Sciences. 104 (44): 17364–17369. Bibcode:2007PNAS..10417364R. doi:10.1073/pnas.0703974104. PMC 2077262. PMID 17951434.
  7. ^ Ma, Xiao; Gosai, Agnivo; Shrotriya, Pranav (2020). "Resolving electrical stimulus triggered molecular binding and force modulation upon thrombin-aptamer biointerface". Journal of Colloid and Interface Science. 559: 1–12. Bibcode:2020JCIS..559....1M. doi:10.1016/j.jcis.2019.09.080. PMID 31605780. S2CID 203938092.
  8. ^ Gosai, Agnivo; Ma, Xiao; Balasubramanian, Ganesh; Shrotriya, Pranav (2016). "Electrical Stimulus Controlled Binding/Unbinding of Human Thrombin-Aptamer Complex". Scientific Reports. 6: 37449. Bibcode:2016NatSR...637449G. doi:10.1038/srep37449. PMC 5118750. PMID 27874042.
  9. ^ Coffer, J.L. (2014). "Overview of semiconducting silicon nanowires for biomedical applications". Semiconducting Silicon Nanowires for Biomedical Applications. pp. 3–7. doi:10.1533/9780857097712.1.3. ISBN 9780857097668.
  10. ^ Zhang, Guo-Jun; Ning, Yong (2012-10-24). "Silicon nanowire biosensor and its applications in disease diagnostics: A review". Analytica Chimica Acta. 749: 1–15. doi:10.1016/j.aca.2012.08.035. PMID 23036462.