생체모방재료

Biomimetic material

생체모방물질은 자연에서 영감을 얻어 개발된 물질이다.이는 복합 재료 설계에 유용할 수 있습니다.자연 구조물은 인간의 [1]창조물에 영감을 주고 혁신을 일으켰다.이러한 자연 구조의 주목할 만한 예로는 벌집의 벌집 구조, 거미줄의 강도, 새의 비행 역학, 상어 가죽의 발수성 [2]등이 있습니다.신어(신어) 생체모방의 어원적 뿌리는 그리스어에서 유래했다. 왜냐하면 bios는 "생명"을 의미하고 meticos는 "모방"을 의미하기 때문이다.

조직 공학

조직공학에서 생체모방물질은 세포외매트릭스(ECM) 단백질로부터 발판테더링펩타이드와의 상호작용에 의해 매개되는 특정 세포반응을 유도하도록 설계된 물질이다. 기본적으로, 화학적 [3]또는 물리적 변형을 통해 세포결합펩타이드를 생체물질에 통합하는 것이다.펩타이드 내에 위치한 아미노산은 다른 생물학적 구조에 의해 구성 블록으로 사용된다.이러한 펩타이드는 생물학적으로 활성화된 모티브를 포함하도록 변형될 수 있기 때문에 종종 "자체 조립 펩타이드"라고 불린다.이를 통해 조직으로부터 파생된 정보를 복제하고 동일한 정보를 독립적으로 복제할 수 있습니다.따라서 이러한 펩타이드는 조직 [4]공학을 포함한 여러 생화학 활동을 수행할 수 있는 구성 블록으로 작용한다.현재 짧은 사슬과 긴 사슬 펩타이드 모두에 대해 수행되고 있는 조직 공학 연구는 아직 초기 단계에 있다.

이러한 펩타이드에는 ECM 단백질의 천연 긴 사슬뿐만 아니라 온전한 ECM 단백질에서 파생된 짧은 펩타이드 배열도 포함됩니다.생체모방물질은 ECM이 신경조직에서 수행하는 역할의 일부를 모방하는 것입니다.세포 성장과 이동을 촉진할 뿐만 아니라, 통합된 펩타이드는 또한 특정 단백질 분해효소 효소에 의해 매개되거나 국소적인 [3]고유 조직에 존재하지 않는 세포 반응을 시작할 수 있다.

초기에는 피브로넥틴(FN), 비트로넥틴(VN), 라미닌(LN)을 포함한 ECM 단백질의 긴 사슬을 사용했지만 최근에는 짧은 펩타이드를 사용하는 장점이 발견됐다.짧은 펩타이드는 흡착 시 무작위로 접히는 긴 사슬이 활성 단백질 도메인을 입체적으로 이용할 수 없도록 하는 것과 달리, 짧은 펩타이드는 안정 상태를 유지하고 흡착 시 수용체 결합 도메인을 숨기지 않기 때문에 더 유리하다.짧은 펩타이드의 또 다른 장점은 크기가 작기 때문에 더 경제적으로 복제할 수 있다는 것이다.긴 스페이서 암을 가진 바이 펑션성 가교체를 사용하여 펩타이드를 기판 표면에 테더링한다.가교체를 부착하기 위해 관능기를 이용할 [3]수 없는 경우에는 광화학적인 고정화를 사용할 수 있다.

생체 재료는 표면을 수정하는 것 외에 대량으로 수정될 수 있으며, 이는 세포 신호 펩타이드와 인식 부위가 표면뿐만 아니라 재료의 대부분에 존재함을 의미한다.세포 부착 강도, 세포 이동 속도 및 세포 골격 조직 형성 범위는 물질에 결합된 리셉터 결합에 의해 결정되므로 생체 모방 [3]물질을 설계할 때 리셉터-리간드 친화력, 리간드의 밀도 및 리간드의 공간 분포를 신중하게 고려해야 한다.

생체모방광물화

발달하는 에나멜 세포외 매트릭스(예를 들어 아멜로게닌)의 단백질은 초기 미네랄 퇴적(핵분열)과 후속 결정 성장을 제어하고, 궁극적으로 성숙한 광물화 조직의 물리학적 특성을 결정한다.핵 생성기는 작은 핵을 안정시켜 광물 [5]조직을 형성함으로써 주변의 유체(타액 등)로부터 광물 이온을 결정 격자 구조의 형태로 결합시킨다.에나멜 ECM 단백질의 돌연변이는 에나멜 형성 불완전과 같은 에나멜 결함을 야기합니다.제1형 콜라겐은 상아질과 [6][7]뼈 형성에 비슷한 역할을 하는 것으로 생각된다.

치과용 에나멜 광물(상아질 및 뼈 포함)은 히드록시라파타이트로 만들어지며 구조물에 외부 이온이 포함되어 있습니다.탄산염, 플루오르화물, 마그네슘은 가장 일반적인 [8]헤테로이온 치환기입니다.

정상적인 에나멜 조직 형성에 기초한 생체 모방 광물질화 전략에서 히드록실라파타이트의 [9]탈노보 침전을 유도하기 위해 칼슘 및/또는 인산 이온을 흡착 배치하는 3차원 비계를 형성한다.

두 가지 일반적인 전략이 적용되었다.하나는 아멜로게닌, 콜라겐 또는 덴틴 포스포포린과 같은 천연 광물질화 단백질을 지지하는 것으로 알려진 파편을 기반으로 [10]사용한다.대신, de novo 고분자 구조는 자연 분자에 기초한 것이 아니라 합리적인 설계에 기초한 광물을 지원하도록 설계되었다.예를 들어 올리고펩티드 P11-4가 [11]있다.

치과 정형외과 및 임플란트에서는 아래턱뼈의 밀도를 개선하기 위한 보다 전통적인 전략은 인산칼슘 재료를 즉석 도포하는 것입니다.일반적으로 사용되는 재료는 히드록실라파타이트, 인산삼칼슘 및 인산칼슘 [12]시멘트입니다.새로운 생체 활성 안경은 추가된 실리콘이 칼슘의 [13]국소 흡수에 중요한 보탬이 되는 이 전략을 따릅니다.

세포외기질단백질

많은 연구들이 생체모방물질을 설계할 때 라미닌-1을 이용한다.라미닌은 축삭 성장 안내와 더불어 뉴런 부착과 분화를 촉진할 수 있는 세포외 매트릭스의 구성요소이다.생물 활성의 주요 기능 부위는 라미닌의 [14]α-1 사슬에 위치한 핵심 단백질 도메인인 이소류신-리신-발린-알라닌-발린(IKVAV)이다.

Wu, Jheng 등의 최근 연구는 자가조립 IKVAV 펩타이드 나노섬유를 합성하여 뉴런 유사 pc12 세포 접착에 미치는 영향을 테스트하였다.초기 세포 접착은 세포 변성을 예방하는 데 매우 중요하다; 배양 중에 세포가 오래 현탁될수록, 세포는 더 퇴화할 가능성이 높다.목적은 IKVAV로 세포 부착과 생체활성이 좋은 생체물질을 개발하는 것으로, 신경세포의 부착과 [14]분화를 촉진할 뿐만 아니라 글리아세포의 분화와 유착을 억제할 수 있다.IKVAV 펩타이드 도메인은 나노파이버의 표면에 있어 세포 접촉 상호작용을 촉진하기 위해 노출되고 접근 가능하다.IKVAV 나노 파이버는 폴리L-리신에 의해 유도되는 정전 흡착력보다 강한 세포 유착력을 촉진하였으며, 포화점에 도달할 때까지 IKVAV의 밀도가 증가함에 따라 세포 유착력이 증가하였다.IKVAV는 1시간과 3시간에서 [14]준거가 동일한 것으로 나타났기 때문에 시간 의존적 효과를 나타내지 않는다.

라미닌은 신경계의 발달을 촉진하고 신경계의 발달에 역할을 하는 것으로 알려져 있다.구배는 발달하는 신경계의 표적 조직으로의 성장 원추체 안내에 매우 중요한 것으로 알려져 있다.용해성 구배에 대한 많은 연구가 이루어졌지만, 라미닌과 [15]같은 세포외 기질의 기질 결합 물질의 구배에 대해서는 거의 강조되지 않았다.Dodla와 Bellamkonda는 결합된 라미닌-1(LN-1)의 구배를 가진 이방성 3D 아가로스 겔을 제작했습니다.LN-1 농도 구배는 등방성 LN-1 농도에서 관찰된 가장 높은 신경석 성장률보다 더 빠른 신경석 확장을 촉진하는 것으로 나타났다.신경암은 경사면 위아래로 모두 성장했지만, 경사가 덜한 곳에서 성장이 더 빨랐고 [15]경사면 아래보다 경사면을 더 빨리 올라갔다.

생체모방 인공근

전기 활성 고분자는 인공 근육으로도 알려져 있다.EAP는 고분자 물질로 전기장에 적용하면 큰 변형을 일으킬 수 있습니다.이는 생명공학, 로봇공학, 센서 및 [16]액추에이터 분야에서 큰 잠재력을 제공합니다.

생체 모방 포토닉 구조

주요 기사: 바이오에서 영감을 얻은 포토닉스

구조적인 색채의 생산은 많은 유기체의 배열과 관련이 있다.박테리아(Flavobacterium strine IR1)[17]에서 다세포 생물(Hibiscus trionum,[18] Doryteuthis pealii,[19] 또는 Chrysochroa fulgidisma(비틀))[20]까지 빛의 조작은 희귀 외래 생물에 한정되지 않는다.다른 유기체들은 구조적인 색깔을 내기 위해 다른 메커니즘을 진화시켰습니다: 몇몇[20] 곤충과 [21]식물에서는 다층 큐티클, [18]식물에서는 표면과 같은 격자, 박테리아에서는 기하학적으로 조직된 세포...모든 테마는 구조적으로 색칠된 재료의 개발을 위한 영감의 원천을 나타냅니다.반딧불이의 복부에 대한 연구는 큐티클, 포토제닉 층, 그리고 반사체 층으로 구성된 3층 시스템의 존재를 밝혀냈다.반사체 층의 현미경 검사 결과 과립 구조가 밝혀졌다.Fire fly Reflector 층에서 직접 영감을 받아 약 1.05μm의 중공 실리카 비즈로 구성된 인공 과립막을 높은 반사 지수와 상관하여 화학 발광 시스템의 [22]빛 방출을 개선하는 데 사용할 수 있었습니다.

인공효소

인공 효소는 단백질일 필요 없이 자연 효소의 (부분적인) 기능을 모방할 수 있는 합성 물질입니다.그 중 일부 나노물질은 천연효소를 모방하기 위해 사용되어 왔다.이 나노물질들은 나노자임이라고 불린다.나노자임뿐만 아니라 다른 인공 효소들은 바이오센싱과 면역 분석에서 줄기세포 성장과 오염물질 [23]제거에 이르기까지 광범위한 응용 분야를 찾아냈다.

생체모방복합재료

생체 모방 복합 재료는 자연 디자인 전략을 모방하여 만들어지고 있습니다.동물과 식물에서 발견되는 설계나 구조를 연구하여 이러한 생물학적 구조를 복합 구조 제작에 적용한다.3D 프린팅과 같은 고급 제조 기술은 연구자에 의해 [24]제작되기 위해 사용되고 있습니다.

레퍼런스

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