Муциновые покрытия подчелюстной части крупного рогатого скота - Bovine submaxillary mucin coatings
Покрытия из субчелюстного муцина крупного рогатого скота ( BSM ) представляют собой поверхностную обработку биоматериалов, предназначенную для уменьшения роста вредных бактерий и грибов, таких как S. epidermidis , E. coli и Candida albicans . БСМ - это вещество, извлекаемое из свежих слюнных желез коров. Он обладает уникальными физическими свойствами, такими как высокая молекулярная масса и амфифильность , что позволяет использовать его во многих биомедицинских приложениях.
У каждого вида есть подчелюстные железы, секретирующие муцин . В настоящее время для человека идентифицировано восемь различных муцинов. Однако именно муцин из коровьего и свиного происхождения использовался в нескольких областях применения биоматериалов. Чаще всего BSM используется в покрытиях для имплантированных материалов. В таких приложениях адсорбционные характеристики BSM являются неотъемлемой частью поведения материалов in vivo . Выживание и отторжение имплантата во многом зависят от модификаций поверхности, которые определяют межфазное взаимодействие между материалом и телом. Таким образом, адсорбция BSM увеличивает биосовместимость .
Эпителиальные ткани выстилают поверхности по всему телу. Эта ткань покрыта слоем слизистого геля, состоящего из протеина. Основная функция слоя - защита от механических нагрузок, обезвоживания и бактериальных инфекций. Он также играет роль в клеточной передаче сигналов, клеточных взаимодействиях и регулировании pH. Двумя основными компонентами геля являются муцины и вода, причем муцины образуют основу слизистой.
Муцин образуется из секрета слизи подчелюстных желез, которые представляют собой слюнные железы, расположенные под дном рта. Выделенный муцин способствует пищеварению, покрывая болюс так, что он легко проходит через пищеварительный тракт. Муцины являются составными частями одного класса гликопротеинов : гликопротеинов, содержащих сиаловую кислоту, или мукопротеинов. Они имеют высокую молекулярную массу и существуют в виде мембраносвязанных или секреторных муцинов. Мембраносвязанный тип имеет гидрофильную область, которая проходит вдоль мембраны и прикрепляется к клеточным поверхностям. Секреторные муцины - основные компоненты слизистого гелевого слоя, покрывающего эпителий.
Физические характеристики
Хотя слизь в основном состоит из воды, ее структурные и реологические свойства характеризуются муцином. Под атомно-силовым микроскопом BSM выглядит как композиция из волокон в форме гантелей высотой примерно 1 нм. BSM можно купить в виде порошка, в этом случае он имеет цвет от белого до светло-коричневого.
Механические свойства
Муцин представляет собой волокнистую матрицу с гелеобразными свойствами. При смешивании с водным раствором более высокие концентрации муцина приводят к более низким значениям поверхностного натяжения. BSM имеет энтальпию гидратации -20 кДж / моль и уровень относительной влажности стеклования 60-70%.
| Источник Муцина | Молекулярный вес [кДа] | Γ [мг / м 2 ] после 24 ч адсорбции на гидрофильном диоксиде кремния с 5 мг / мл муцина | Γ [мг / м 2 ] после 24 ч адсорбции на гидрофобном диоксиде кремния с 5 мг / мл муцина |
|---|---|---|---|
| Подчелюстной | 4000 | 0,25 | 2 |
| Подчелюстной | 500–250 | 1,15 | 2 |
| Сублингвальный (высокий молекулярный вес) для человека | > 1000 | - | 5 |
| θ, угол контакта воды с ПММА | γ, поверхностное натяжение на PBS | Без покрытия | 69,4 ± 0,2 ° | 70,2 [мН / м] | |
|---|---|---|---|---|---|
| С покрытием | 50,2 ± 4,0 ° | 46,5-47,3 [мН / м] |
| λ, длина Дебая [нм] | κ, Адсорбция [нм] | δ, поверхностная плотность общего адсорбированного муцина [мг / м 2 | |
|---|---|---|---|
| Муцин 0,1 г / л + NaCl 10 −3 M | 41 год | 0,024 | 2,4 |
| Муцин 0,2 г / л + NaCl 10 −3 M | 43 год | 0,105 | 4.3 |
| Муцин 0,1 г / л + NaCl 0,15 М | 41 год | 0,024 | 4.5 |
| Муцин 0,05 г / л + NaCl 0,15 М | 110 | 0,009 | 2.3 |
Химический состав
Будучи крупными гликопротеинами, муцины имеют высокое содержание углеводов, что способствует их волокнистой структуре. Эти углеводы ответвляются от полипептидных цепей в форме олигосахаридов, включая N-ацетилгалактозамин, N-ацетилглюкозамин, фукозу, галактозу и сиаловую кислоту. Гидроксильные группы серина и треонина соединяются с полипептидными цепями через О-гликозидные связи.
Взаимодействие с поверхностями
Муцины взаимодействуют с поверхностями уникальным образом благодаря амфифильным свойствам, которые проявляют молекулы.
Адсорбция BSM на твердые поверхности и виды склеивания
Муцины хорошо прилипают к полимерным поверхностям за счет различных типов связывания: (1) ковалентного связывания (2) электростатического взаимодействия, которое требует согласования зарядовых групп между полимером и слизью; (3) водородная связь ; и (4) гидрофобные взаимодействия. Эти взаимодействия требуют очень тесного контакта между поверхностью и слизью, чтобы облегчить прочное связывание. Большинство муцинов адсорбируются на твердых поверхностях довольно легко без подготовки поверхности из-за привлекательного взаимодействия поверхности с негликозилированной областью молекулы. Измерения поверхностных сил показывают, что между покрытыми муцином поверхностями существуют большие пространственные силы отталкивания, которые могут быть обнаружены на расстоянии до 100 нм и более. Это указывает на то, что сегменты муцина распространяются в окружающий раствор на большое расстояние. Поскольку муцин является амфифильным, негликозилированные области молекулы взаимодействуют с поверхностью, а гликозилированная область взаимодействует с окружающим раствором, вызывая стерическое отталкивание. Силы отталкивания, прикладываемые муцином, создают антиадгезионные свойства, которые могут подавлять адгезию клеток к поверхностям.
Эффективность прилипания муцина к гидрофобным поверхностям была проанализирована путем нанесения покрытия из муцина и измерения количества муцинов, остающихся на гидрофобном материале после полоскания. Количество удаленного муцина составляло небольшую часть оставшегося материала.
Другой метод определения степени адсорбции муцина на твердой поверхности включает определение показателя преломления чистой твердой поверхности и сравнение этого числа с показателем преломления адсорбированного муцина на поверхности. Адсорбция муцина изменит показатель преломления, который можно использовать для расчета количества молекул муцина в адсорбированном слое (см. Уравнения ниже).
Уравнение для оценки показателя преломления:
п = п с + дн / Округ Колумбия ⋅ c
n = показатель преломления
n s = показатель преломления растворителя
dn / dc = приращение показателя преломления
c = Концентрации растворенных молекул
Уравнение для оценки количества молекул в адсорбированном слое:
Γ = п - н с / дн / Округ Колумбия ⋅ г
Γ = избыток поверхности
n = показатель преломления
n s = показатель преломления растворителя
dn / dc = приращение показателя преломления
d = Эллипсометрическая толщина
Гидрофобные и электростатические взаимодействия
Белки обычно легко адсорбируются на твердых поверхностях из водных растворов с образованием белковой пленки, обычно смешанной с водой. Адсорбцию могут опосредовать многие типы взаимодействий; Среди них гидрофобные и электростатические взаимодействия были определены как центральные факторы, определяющие адсорбцию белка на поверхности и реакцию отталкивания на молекулы в растворе. Кроме того, предполагается, что структурные перестройки белков, а также водородные связи влияют на адсорбцию. Гликозилированная область муцинов простирается в воду, что заставляет молекулы распространяться в окружающий раствор в конформации случайного клубка. Кроме того, высокая молекулярная масса муцина позволяет молекулам перекрываться и связываться, когда они присутствуют в низких концентрациях.
Зависимость адсорбции от PH
Эмпирические данные показали, что pH влияет на адсорбцию муцина на поверхностях. При pH 4 адсорбированное количество муцина было выше, но толщина слоя была меньше по сравнению со средами с pH 6. Повышенная адсорбция муцина может быть объяснена большим количеством протонированных аминогрупп, которые присутствуют на уровне pH 4, которые образуют электростатические связи с отрицательно заряженными группами в молекуле. При более низких значениях pH и низкой ионной силе количество адсорбированного BSM на поверхности увеличивается. более низкий уровень толщины, наблюдаемый при более низких значениях pH, можно объяснить более сильным притягивающим взаимодействием муцина с поверхностью, в результате чего частицы легче деформируются, увеличивая степень адсорбции.
Биосовместимость
Поскольку BSM часто применяется в качестве покрытия на материале, который будет взаимодействовать с человеческим телом, важно минимизировать неблагоприятные взаимодействия с тканями и клетками. Два соображения включают снижение реактивности тканей, например, при воспалительных и иммунных реакциях, и предотвращение адсорбции частиц, таких как бактерии.
Тканевая реактивность
Образцы полиуретана с покрытием BSM были имплантированы овцам, чтобы оценить, вызывают ли покрытия минимальные реакции хозяина в течение 30-дневной имплантации. После осмотра эксплантированных образцов было обнаружено, что ткань хозяина имела более низкие воспалительные реакции и минимальное образование капсул с образцами из полиуретана с покрытием BSM, чем с образцами без покрытия. Эти результаты делают покрытия BSM привлекательными для использования в биомедицинских приложениях, где синтетические материалы непосредственно взаимодействуют с тканями.
Муцины также считаются полезными в тканях, поскольку они являются естественными и биологическими, могут образовывать гидрогели , проявлять устойчивость к протеолитической деградации и иметь хорошую адгезию к поверхностям, отталкивая молекулы на границе раздела с окружающим раствором. Кроме того, возможность поглощения определенных белков делает покрытия BSM очень привлекательными для биомедицинского использования, поскольку правильное поглощение белка может потенциально увеличить скорость выздоровления пациентов.
Предотвращение адсорбции частиц
В предыдущих разделах было описано, что муцин полезен в антиадгезионных и отталкивающих применениях. Это связано с тем, что BSM хорошо прилипает к поверхностям, но неполярные концы молекул, которые распространяются в окружающий раствор, демонстрируют отталкивающее поведение, которое не позволяет внешним частицам достигать поверхности для адсорбции. Чтобы предотвратить адсорбцию большего количества частиц, слой BSM должен иметь толщину всего 0,3 мг / м ^ 2, чтобы полностью предотвратить адсорбцию.
Приложения
Покрытия имплантатов
BSM - активная область исследований для нескольких приложений биомедицинской инженерии. Благодаря адсорбции на твердых поверхностях, он полезен in vivo для предотвращения бактериальных инфекций. BSM и бактерии конкурируют за места адсорбции; адгезия муцина блокирует бактериальную адгезию на поверхностях. Следовательно, снижается риск прикрепления бактерий и инфекции. Хотя бактериальные инфекции являются распространенной проблемой в медицинской, стоматологической и пищевой промышленности, они являются основной причиной отказов устройств в биологических имплантатах. Для решения этой проблемы BSM был использован в качестве покрытия для диблок-сополимера поли (акриловая кислота-b-метилметакрилат) (PAA-b-PMMA). Сополимер обеспечивает два механизма, которые способствуют устойчивости биоматериала к бактериям. Во-первых, блок PAA способствует адсорбции BSM на поверхность. Во-вторых, блок PMMA предотвращает растворение BSM в водной среде. Такое поведение обязательно при смазке сердечно-сосудистых стентов и мочевых катетеров, когда они вводятся внутри пациента. Из-за адсорбции BSM гидрофобность поверхности уменьшается, а также снижается степень бактериальной адгезии.
Системы доставки лекарств
Доставка лекарств - еще одно приложение, в котором используются покрытия BSM. В системах доставки лекарств фармацевтические продукты используются внутри инкапсулированных отсеков. Эти отсеки состоят из гидрофильных полимеров, которые позволяют высвобождать конкретное лекарство с определенной скоростью и профилем высвобождения. Покрытия BSM полезны для мукоадгезивных пленок, которые после имплантации высвобождают лекарства в окружающую ткань слизистой оболочки. Такие системы доставки были изготовлены специально с полимерами PAA и покрытиями BSM. Как и в предыдущем случае, полимер PAA улучшил адсорбцию BSM на своей поверхности, чтобы предотвратить бактериальную адгезию и потенциальную инфекцию. Взаимодействие муцина с самим фармацевтическим продуктом и другими белками, встречающимися в организме, жизненно важно для процесса доставки лекарств. Поведение BSM и наркотиков исследуется, чтобы гарантировать, что один элемент не нарушает функцию другого. Покрытия также синтезируются, тестируются и анализируются таким образом, чтобы различные белки в организме не влияли отрицательно на адсорбцию BSM и устойчивость к бактериям.
Гидрогели
BSM также использовался для изготовления гидрогелей. Гидрогели представляют собой сшитые гидрофильные полимерные матрицы в воде, которая является дисперсионной средой. Свойства BSM идеальны для образования гидрогелей. Его гликозилированные области взаимодействуют с водой, образуя вытянутые случайные спирали. Кроме того, его высокая молекулярная масса позволяет ему перекрываться при низких концентрациях. Такое синергетическое поведение создает эффективные гелевые матрицы, подходящие для нескольких биомедицинских приложений, таких как каркасы, медицинские электроды и системы доставки лекарств.
Смотрите также
Модификация поверхности биоматериалов белками