Биополимеры — это природные полимеры , вырабатываемые клетками живых организмов . Как и другие полимеры, биополимеры состоят из мономерных звеньев, которые ковалентно связаны в цепи, образуя более крупные молекулы. Существует три основных класса биополимеров, классифицированных в зависимости от используемых мономеров и структуры образующегося биополимера: полинуклеотиды , полипептиды и полисахариды . Полинуклеотиды , РНК и ДНК , представляют собой длинные полимеры нуклеотидов . Полипептиды включают белки и более короткие полимеры аминокислот ; некоторые основные примеры включают коллаген , актин и фибрин . Полисахариды представляют собой линейные или разветвленные цепи углеводов -сахаров ; примеры включают крахмал, целлюлозу и альгинат. Другие примеры биополимеров включают натуральные каучуки (полимеры изопрена ), суберин и лигнин (сложные полифенольные полимеры), кутин и кутан (сложные полимеры длинноцепочечных жирных кислот ), меланин и полигидроксиалканоаты (ПГА) .
Помимо своей важной роли в живых организмах, биополимеры находят применение во многих областях, включая пищевую промышленность , производство , упаковку и биомедицинскую инженерию . [1] [2]
Основное определяющее различие между биополимерами и синтетическими полимерами можно найти в их структурах. Все полимеры состоят из повторяющихся звеньев, называемых мономерами . Биополимеры часто имеют четко определенную структуру, хотя это не является определяющей характеристикой (пример: лигноцеллюлоза ): точный химический состав и последовательность, в которой расположены эти звенья , в случае белков называются первичной структурой . Многие биополимеры самопроизвольно сворачиваются в характерные компактные формы (см. также « складывание белков », а также вторичную структуру и третичную структуру ), которые определяют их биологические функции и сложным образом зависят от их первичных структур. Структурная биология - это изучение структурных свойств биополимеров. Напротив, большинство синтетических полимеров имеют гораздо более простые и случайные (или стохастические) структуры. Этот факт приводит к молекулярно-массовому распределению, отсутствующему в биополимерах. Фактически, поскольку в большинстве систем in vivo их синтез контролируется шаблонно-ориентированным процессом , все биополимеры одного типа (скажем, одного конкретного белка) одинаковы: все они содержат сходные последовательности и количество мономеров и, следовательно, все имеют одинаковые свойства. масса. Это явление называется монодисперсностью в отличие от полидисперсности , встречающейся в синтетических полимерах. В результате биополимеры имеют дисперсность 1. [3]
В отношении полипептида принято перечислять составляющие его аминокислотные остатки по мере их расположения от аминоконца до конца карбоновой кислоты. Аминокислотные остатки всегда соединены пептидными связями . Белок , хотя и используется в разговорной речи для обозначения любого полипептида, относится к более крупным или полностью функциональным формам и может состоять из нескольких полипептидных цепей, а также из одиночных цепей. Белки также могут быть модифицированы путем включения непептидных компонентов, таких как сахаридные цепи и липиды .
Согласно соглашению о последовательности нуклеиновой кислоты нуклеотиды перечисляются по мере их расположения от 5'-конца к 3'-концу полимерной цепи , где 5' и 3' относятся к нумерации атомов углерода вокруг рибозного кольца, которые участвуют в формировании фосфатно-диэфирные связи цепи. Такая последовательность называется первичной структурой биополимера.
Полисахариды (полимеры сахаров) могут быть линейными или разветвленными и обычно соединены гликозидными связями . Точное расположение связи может варьироваться, и ориентация связывающих функциональных групп также важна, в результате чего образуются α- и β-гликозидные связи с нумерацией, определяющей расположение связывающих атомов углерода в кольце. Кроме того, многие сахаридные единицы могут подвергаться различным химическим модификациям, например аминированию , и даже образовывать части других молекул, например гликопротеинов .
Существует ряд биофизических методов определения информации о последовательностях. Последовательность белка можно определить путем деградации по Эдману , при которой N-концевые остатки гидролизуются от цепи по одному, дериватизируются, а затем идентифицируются. Также можно использовать методы масс -спектрометрии . Последовательность нуклеиновой кислоты можно определить с помощью гель- электрофореза и капиллярного электрофореза. Наконец, механические свойства этих биополимеров часто можно измерить с помощью оптического пинцета или атомно-силовой микроскопии . Интерферометрию двойной поляризации можно использовать для измерения конформационных изменений или самосборки этих материалов при стимулировании pH, температурой, ионной силой или другими партнерами по связыванию.
Коллаген : [4] Коллаген является первичной структурой позвоночных и наиболее распространенным белком у млекопитающих. По этой причине коллаген является одним из наиболее легко доступных биополимеров и используется во многих исследовательских целях. Благодаря своей механической структуре коллаген обладает высокой прочностью на разрыв и является нетоксичным, легко рассасывающимся, биоразлагаемым и биосовместимым материалом. Поэтому его использовали во многих медицинских целях, таких как лечение тканевых инфекций, системы доставки лекарств и генная терапия.
Фиброин шелка : [5] Фиброин шелка (SF) — еще один богатый белком биополимер, который можно получить из различных видов тутового шелкопряда, таких как тутовый червь Bombyx mori. В отличие от коллагена, SF имеет меньшую прочность на разрыв, но обладает сильными адгезионными свойствами благодаря своему нерастворимому и волокнистому белковому составу. В недавних исследованиях было обнаружено, что фиброин шелка обладает антикоагулянтными свойствами и способствует адгезии тромбоцитов. Кроме того, было обнаружено, что фиброин шелка поддерживает пролиферацию стволовых клеток in vitro.
Желатин : Желатин получают из коллагена I типа, состоящего из цистеина, и производят путем частичного гидролиза коллагена из костей, тканей и кожи животных. [6] Существует два типа желатина: тип А и тип Б. Коллаген типа А получается путем кислотного гидролиза коллагена и содержит 18,5% азота. Тип B получают путем щелочного гидролиза, содержат 18% азота и не содержат амидных групп. Повышенные температуры приводят к плавлению желатина и образованию клубков, тогда как более низкие температуры приводят к превращению клубка в спираль. Желатин содержит множество функциональных групп, таких как NH2, SH и COOH, которые позволяют модифицировать желатин с помощью наночастиц и биомолекул. Желатин представляет собой белок внеклеточного матрикса, что позволяет применять его для таких целей, как перевязка ран, доставка лекарств и трансфекция генов. [6]
Крахмал: Крахмал — недорогой биоразлагаемый биополимер, и его имеется в изобилии. В полимерную матрицу можно добавлять нановолокна и микроволокна для повышения механических свойств крахмала, повышения эластичности и прочности. Без волокон крахмал имеет плохие механические свойства из-за его чувствительности к влаге. Крахмал, являющийся биоразлагаемым и возобновляемым, используется во многих сферах, включая производство пластмасс и фармацевтических таблеток.
Целлюлоза: Целлюлоза имеет очень сложную структуру цепей, что обеспечивает стабильность и прочность. Прочность и стабильность обусловлены более прямой формой целлюлозы, обусловленной мономерами глюкозы , соединенными гликогеновыми связями. Прямая форма позволяет молекулам плотно упаковываться. Целлюлоза очень распространена в применении из-за ее большого количества, биосовместимости и безвредности для окружающей среды. Целлюлоза широко используется в форме нанофибрилл, называемых наноцеллюлозой. Наноцеллюлоза, представленная в низких концентрациях, дает прозрачный гелевый материал. Этот материал можно использовать для изготовления биоразлагаемых, однородных , плотных пленок, которые очень полезны в биомедицинской области.
Альгинат: Альгинат — самый распространенный морской природный полимер, полученный из бурых морских водорослей. Сферы применения альгинатных биополимеров варьируются от упаковочной, текстильной и пищевой промышленности до биомедицинской и химической инженерии. Первое применение альгината было в виде повязки на раны, где были обнаружены его гелеобразные и абсорбирующие свойства. При нанесении на раны альгинат образует защитный гелевый слой, оптимальный для заживления и регенерации тканей, сохраняет стабильную температурную среду. Кроме того, были разработки по использованию альгината в качестве среды для доставки лекарств, поскольку скоростью высвобождения лекарства можно легко манипулировать благодаря разнообразию плотностей альгината и волокнистого состава.
Применения биополимеров можно разделить на две основные области, которые различаются в зависимости от их биомедицинского и промышленного использования. [2]
Поскольку одной из основных целей биомедицинской инженерии является имитация частей тела для поддержания нормальных функций организма, из-за их биосовместимых свойств биополимеры широко используются в тканевой инженерии , медицинских устройствах и фармацевтической промышленности. [4] Многие биополимеры могут использоваться в регенеративной медицине , тканевой инженерии, доставке лекарств и в других медицинских целях благодаря своим механическим свойствам. Они обеспечивают такие характеристики, как заживление ран, катализ биологической активности и нетоксичность. [7] По сравнению с синтетическими полимерами, которые могут иметь различные недостатки, такие как иммуногенное отторжение и токсичность после разложения, многие биополимеры обычно лучше интегрируются в организм, поскольку они также обладают более сложной структурой, похожей на человеческое тело. [ нужна цитата ]
В частности, полипептиды, такие как коллаген и шелк, являются биосовместимыми материалами, которые используются в новаторских исследованиях, поскольку это недорогие и легко доступные материалы. Желатиновый полимер часто используется для перевязки ран, действуя как клей. Каркасы и пленки с желатином позволяют удерживать лекарства и другие питательные вещества, которые можно использовать для доставки в рану для заживления.
Поскольку коллаген является одним из наиболее популярных биополимеров, используемых в биомедицинской науке, вот несколько примеров его использования:
Системы доставки лекарств на основе коллагена: коллагеновые пленки действуют как барьерная мембрана и используются для лечения тканевых инфекций, таких как инфицированная ткань роговицы или рак печени. [8] Все коллагеновые пленки использовались в качестве носителей доставки генов, которые могут способствовать образованию костей.
Коллагеновые губки: Коллагеновые губки используются в качестве повязки для лечения ожогов и других серьезных ран. Имплантаты на основе коллагена используются для культивируемых клеток кожи или носителей лекарств, которые используются для лечения ожоговых ран и замены кожи. [8]
Коллаген как кровоостанавливающее средство . Когда коллаген взаимодействует с тромбоцитами , он вызывает быстрое свертывание крови. Эта быстрая коагуляция создает временный каркас, благодаря которому фиброзная строма может быть регенерирована клетками-хозяевами. Гемостат на основе коллагена уменьшает кровопотерю в тканях и помогает остановить кровотечение в таких органах, как печень и селезенка.
Хитозан — еще один популярный биополимер в биомедицинских исследованиях. [ по мнению кого? ] Хитозан получают из хитина , основного компонента экзоскелета ракообразных и насекомых и второго по распространенности биополимера в мире. [4] Хитозан обладает множеством превосходных характеристик для биомедицинской науки. Хитозан биосовместим, он обладает высокой биоактивностью , то есть стимулирует полезную реакцию организма, может биоразлагаться, что позволяет исключить повторную операцию при установке имплантатов, может образовывать гели и пленки и обладает избирательной проницаемостью . Эти свойства позволяют использовать хитозан в различных биомедицинских целях.
Хитозан для доставки лекарств. Хитозан используется в основном для нацеливания лекарств, поскольку он потенциально может улучшить всасывание и стабильность лекарств. Кроме того, хитозан, конъюгированный с противораковыми агентами, также может оказывать лучший противораковый эффект, вызывая постепенное высвобождение свободного лекарства в раковую ткань. [9]
Хитозан как противомикробное средство: Хитозан используется для остановки роста микроорганизмов . Он выполняет противомикробные функции в отношении таких микроорганизмов, как водоросли, грибы, бактерии и грамположительные бактерии различных видов дрожжей.
Хитозановый композит для тканевой инженерии: порошок хитозана, смешанный с альгинатом, используется для изготовления функциональных раневых повязок. Эти повязки создают влажную, биосовместимую среду, которая способствует процессу заживления. Эта раневая повязка также биоразлагаема и имеет пористую структуру, позволяющую клеткам прорастать в повязку. [4] Кроме того, тиолированные хитозаны (см. «Тиомеры» ) используются для тканевой инженерии и заживления ран, поскольку эти биополимеры способны сшиваться посредством дисульфидных связей, образуя стабильные трехмерные сети. [10] [11]
Продукты питания : Биополимеры используются в пищевой промышленности для изготовления упаковки, съедобных инкапсуляционных пленок и покрытия пищевых продуктов. Полимолочная кислота (PLA) очень распространена в пищевой промышленности благодаря прозрачному цвету и устойчивости к воде. Однако большинство полимеров имеют гидрофильную природу и начинают разрушаться под воздействием влаги. Биополимеры также используются в качестве съедобных пленок, инкапсулирующих пищевые продукты. Эти пленки могут содержать антиоксиданты , ферменты , пробиотики , минералы и витамины. Потребляемая пища, инкапсулированная в биополимерную пленку, может поставлять эти вещества в организм.
Упаковка. Наиболее распространенными биополимерами, используемыми в упаковке, являются полигидроксиалканоаты (ПГА), полимолочная кислота (ПЛА) и крахмал . Крахмал и PLA коммерчески доступны и биоразлагаемы, что делает их распространенным выбором для упаковки. Однако их барьерные свойства (как влагобарьерные, так и газобарьерные) и термические свойства не идеальны. Гидрофильные полимеры не являются водостойкими и пропускают воду через упаковку, что может повлиять на ее содержимое. Полигликолевая кислота (ПГК) — это биополимер с отличными барьерными характеристиками, который в настоящее время используется для устранения барьерных препятствий, создаваемых ПЛА и крахмалом.
Очистка воды: Для очистки воды используется хитозан . Он используется в качестве флокулянта , разложение которого в окружающей среде занимает всего несколько недель или месяцев, а не лет. Хитозан очищает воду путем хелатирования. Это процесс, при котором места связывания вдоль полимерной цепи связываются с ионами металлов в воде, образуя хелаты . Было показано, что хитозан является отличным кандидатом для использования при очистке ливневых и сточных вод. [12]
Некоторые биополимеры, такие как PLA , природный зеин и поли-3-гидроксибутират, могут использоваться в качестве пластмасс, заменяя необходимость в пластиках на основе полистирола или полиэтилена .
Некоторые пластики теперь называются «разлагаемыми», «разлагаемыми кислородом» или «разлагаемыми ультрафиолетом». Это означает, что они разрушаются под воздействием света или воздуха, но эти пластмассы по-прежнему в основном (до 98 процентов) основаны на нефти и в настоящее время не сертифицированы как «биоразлагаемые» в соответствии с директивой Европейского Союза об упаковке и упаковочных отходах ( 94/62/ЕС). Биополимеры разрушаются, и некоторые из них пригодны для домашнего компостирования . [13]
Биополимеры (также называемые возобновляемыми полимерами) производятся из биомассы для использования в упаковочной промышленности. Биомасса поступает из таких культур, как сахарная свекла, картофель или пшеница: когда она используется для производства биополимеров, они классифицируются как непродовольственные культуры . Их можно преобразовать следующими способами:
Сахарная свекла > Гликоновая кислота > Полигликоновая кислота
Крахмал > (ферментация) > Молочная кислота > Полимолочная кислота (PLA)
Биомасса > (ферментация) > Биоэтанол > Этен > Полиэтилен
Из биополимеров можно изготавливать многие виды упаковки: пищевые лотки, гранулы из выдувного крахмала для перевозки хрупких товаров, тонкие пленки для упаковки.
Биополимеры могут быть устойчивыми, углеродно-нейтральными и всегда возобновляемыми , поскольку они производятся из растительного или животного сырья, которое можно выращивать бесконечно. Поскольку эти материалы производятся из сельскохозяйственных культур , их использование может создать устойчивую промышленность. Напротив, сырье для полимеров, получаемых в результате нефтехимии, в конечном итоге истощится. Кроме того, биополимеры обладают потенциалом сокращения выбросов углекислого газа и уменьшения количества CO 2 в атмосфере: это происходит потому, что CO 2, выделяющийся при их разложении, может быть реабсорбирован культурами, выращиваемыми для их замены: это делает их близкими к углеродно-нейтральным .
Почти все биополимеры биоразлагаемы в естественной среде: они расщепляются на CO 2 и воду микроорганизмами . Эти биоразлагаемые биополимеры также подлежат компостированию : их можно использовать в промышленном процессе компостирования, и они разлагаются на 90% в течение шести месяцев. Биополимеры, которые делают это, могут быть отмечены символом «компостируемый» в соответствии с европейским стандартом EN 13432 (2000). Упаковка, отмеченная этим символом, может быть подвергнута промышленному компостированию и разлагается в течение шести месяцев или меньше. Примером компостируемого полимера является пленка PLA толщиной менее 20 мкм: пленки большей толщины не считаются компостируемыми, хотя они «биоразлагаемы». [14] В Европе существует стандарт домашнего компостирования и связанный с ним логотип, который позволяет потребителям идентифицировать и утилизировать упаковку в компостной куче. [13]
