Биоинтерфейс — это область контакта между биомолекулой, клеткой , биологической тканью или живым организмом или органическим материалом, считающимся живым, с другим биоматериалом или неорганическим/органическим материалом. Мотивация науки о биоинтерфейсах исходит из срочной необходимости улучшить понимание взаимодействий между биомолекулами и поверхностями. Поведение сложных макромолекулярных систем на интерфейсах материалов важно в областях биологии , биотехнологии , диагностики и медицины. Биоинтерфейсная наука — это междисциплинарная область, в которой биохимики, синтезирующие новые классы биомолекул ( пептидные нуклеиновые кислоты , пептидомиметики , аптамеры , рибозимы и сконструированные белки ), сотрудничают с учеными, которые разработали инструменты для позиционирования биомолекул с молекулярной точностью (методы проксимального зондирования, нано- и микроконтактные методы, электронно-лучевая и рентгеновская литография , а также методы самосборки снизу вверх), учеными, которые разработали новые спектроскопические методы для исследования этих молекул на границе раздела твердое тело-жидкость, и людьми, которые интегрируют их в функциональные устройства (прикладные физики, аналитические химики и биоинженеры ). [1] Хорошо спроектированные биоинтерфейсы будут способствовать желаемым взаимодействиям, предоставляя оптимизированные поверхности, на которых биологическая материя может взаимодействовать с другими неорганическими или органическими материалами, например, способствуя адгезии клеток и тканей на поверхности. [2]
Темы, представляющие интерес, включают, помимо прочего:
Смежными областями для биоинтерфейсов являются биоминерализация , биосенсоры , медицинские имплантаты и т. д.
Нанотехнология — это быстрорастущая область, которая позволила создать множество различных возможностей для создания биоинтерфейсов. Наноструктуры , которые обычно используются для биоинтерфейсов, включают: металлические наноматериалы, такие как золотые и серебряные наночастицы , полупроводниковые материалы, такие как кремниевые нанопровода , углеродные наноматериалы и нанопористые материалы. [3] Благодаря множеству свойств, уникальных для каждого наноматериала, таким как размер, проводимость и конструкция, были достигнуты различные применения. Например, золотые наночастицы часто функционализируются , чтобы действовать как агенты доставки лекарств для лечения рака, поскольку их размер позволяет им пассивно собираться в местах опухоли. [4] Также в качестве примера, использование кремниевых нанопроводов в нанопористых материалах для создания каркасов для синтетических тканей позволяет контролировать электрическую активность и электрическую стимуляцию клеток в результате фотоэлектрических свойств кремния. [5] Ориентацию биомолекул на интерфейсе также можно контролировать с помощью модуляции таких параметров, как pH, температура и электрическое поле. Например, ДНК, привитая на золотые электроды, может быть приближена к поверхности электрода при приложении положительного электродного потенциала, и, как объяснили Рант и др. [6], это может быть использовано для создания интеллектуальных интерфейсов для обнаружения биомолекул. Аналогичным образом, Сяо Ма и др. [7] обсуждали электрический контроль связывания/отсоединения тромбина от аптамеров, иммобилизованных на электродах. Они показали, что при приложении определенных положительных потенциалов тромбин отделяется [8] от биоинтерфейса.
Кремний является распространенным материалом, используемым в технологической промышленности из-за его распространенности, а также его свойств как полупроводника. Однако в объемной форме, используемой для компьютерных чипов и тому подобного, он не подходит для биоинтерфейсов. Для этих целей часто используются кремниевые нанопровода (SiNW). Различные методы роста и состава SiNW, такие как травление , химическое осаждение из паровой фазы и легирование , позволяют настраивать свойства SiNW для уникальных приложений. [9] Одним из примеров этих уникальных применений является то, что SiNW можно использовать в качестве отдельных проводов для использования во внутриклеточных зондах или внеклеточных устройствах, или SiNW можно преобразовывать в более крупные макроструктуры. Эти структуры можно преобразовывать в гибкие, трехмерные, макропористые структуры (например, упомянутые выше леса), которые можно использовать для создания синтетических внеклеточных матриц . В случае Тиана и соавторов кардиомиоциты выращивались на этих структурах в качестве способа создания синтетической тканевой структуры, которая могла бы использоваться для мониторинга электрической активности клеток на скаффолде. [5] Устройство, созданное Тианом и соавторами, использует тот факт, что SiNW являются устройствами на основе полевых транзисторов (FET). Устройства FET реагируют на электрические потенциальные заряды на поверхности устройства или, в данном случае, на поверхности SiNW. Будучи устройством FET, можно также воспользоваться преимуществом при использовании отдельных SiNW в качестве биосенсорных устройств. Датчики SiNW представляют собой нанопровода, которые содержат специфические рецепторы на своей поверхности, которые при связывании с соответствующими антигенами вызывают изменения проводимости . Эти датчики обладают способностью вставляться в клетки с минимальной инвазивностью, что делает их в некотором роде предпочтительнее традиционных биосенсоров, таких как флуоресцентные красители, а также других наночастиц, которые требуют целевой маркировки. [10]