Биополимеры — это природные полимеры , вырабатываемые клетками живых организмов . Как и другие полимеры, биополимеры состоят из мономерных единиц, которые ковалентно связаны в цепи для образования более крупных молекул. Существует три основных класса биополимеров, классифицируемых в соответствии с используемыми мономерами и структурой образованного 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 сахарных углеводов ; примеры включают крахмал, целлюлозу и альгинат. Другие примеры биополимеров включают натуральный каучук (полимеры изопрена ), суберин и лигнин (сложные полифенольные полимеры), кутин и кутан (сложные полимеры длинноцепочечных жирных кислот ), меланин и полигидроксиалканоаты (ПГА) .
Помимо своих многочисленных важных функций в живых организмах, биополимеры находят применение во многих областях, включая пищевую промышленность , производство , упаковку и биомедицинскую инженерию . [1]
биополимеры : макромолекулы (включая белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды), образованные живыми организмами. [2]
Основное определяющее различие между биополимерами и синтетическими полимерами можно найти в их структурах. Все полимеры состоят из повторяющихся единиц, называемых мономерами . Биополимеры часто имеют четко определенную структуру, хотя это не является определяющей характеристикой (пример: лигноцеллюлоза ): Точный химический состав и последовательность, в которой эти единицы расположены, называются первичной структурой , в случае белков. Многие биополимеры спонтанно складываются в характерные компактные формы (см. также « сворачивание белка », а также вторичную структуру и третичную структуру ), которые определяют их биологические функции и зависят сложным образом от их первичных структур. Структурная биология — это изучение структурных свойств биополимеров. Напротив, большинство синтетических полимеров имеют гораздо более простые и более случайные (или стохастические) структуры. Этот факт приводит к распределению молекулярной массы, которое отсутствует в биополимерах. Фактически, поскольку их синтез контролируется шаблонно-направленным процессом в большинстве систем in vivo , все биополимеры одного типа (скажем, одного конкретного белка) одинаковы: все они содержат схожие последовательности и числа мономеров и, таким образом, все имеют одинаковую массу. Это явление называется монодисперсностью в отличие от полидисперсности, встречающейся в синтетических полимерах. В результате биополимеры имеют дисперсность 1. [3]
Соглашение для полипептида заключается в том, чтобы перечислить его составляющие аминокислотные остатки в том порядке, в котором они встречаются от аминоконца до карбоксильного конца. 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 отдельных цепей. Белки также могут быть модифицированы для включения непептидных компонентов, таких как сахаридные цепи и липиды . [ необходима цитата ]
Соглашение для последовательности нуклеиновой кислоты заключается в перечислении нуклеотидов по мере их появления от 5' конца к 3' концу полимерной цепи , где 5' и 3' относятся к нумерации атомов углерода вокруг рибозного кольца, которые участвуют в формировании фосфатных диэфирных связей цепи. Такая последовательность называется первичной структурой биополимера.
Полисахариды (полимеры сахара) могут быть линейными или разветвленными и обычно соединяются гликозидными связями . Точное расположение связи может варьироваться, а также важна ориентация связывающих функциональных групп, что приводит к α- и β-гликозидным связям с нумерацией, определяющей расположение связывающих атомов углерода в кольце. Кроме того, многие сахаридные единицы могут подвергаться различным химическим модификациям, таким как аминирование , и даже могут образовывать части других молекул, таких как гликопротеины .
Существует ряд биофизических методов определения информации о последовательности. Последовательность белка может быть определена с помощью деградации Эдмана , при которой N-концевые остатки гидролизуются из цепи по одному, дериватизируются и затем идентифицируются. Также могут быть использованы методы масс- спектрометрии . Последовательность нуклеиновых кислот может быть определена с помощью гель -электрофореза и капиллярного электрофореза. Наконец, механические свойства этих биополимеров часто могут быть измерены с помощью оптического пинцета или атомно-силовой микроскопии . Двухполяризационная интерферометрия может быть использована для измерения конформационных изменений или самосборки этих материалов при стимуляции pH, температурой, ионной силой или другими партнерами по связыванию. [ необходима цитата ]
Коллаген : [4] Коллаген является первичной структурой позвоночных и наиболее распространенным белком у млекопитающих. Благодаря этому коллаген является одним из наиболее легкодоступных биополимеров и используется во многих исследовательских целях. Благодаря своей механической структуре коллаген обладает высокой прочностью на разрыв и является нетоксичным, легко усваиваемым, биоразлагаемым и биосовместимым материалом. Поэтому он используется 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 разных видов шелкопряда, например, тутового шелкопряда Bombyx mori. В отличие от коллагена, SF имеет более низкую прочность на разрыв, но обладает сильными адгезивными свойствами из-за своего нерастворимого и волокнистого белкового состава. В недавних исследованиях было обнаружено, что фиброин шелка обладает антикоагуляционными свойствами и адгезией тромбоцитов. Кроме того, было обнаружено, что фиброин шелка поддерживает пролиферацию стволовых клеток in vitro.
Желатин : Желатин получают из коллагена типа I, состоящего из цистеина, и производят путем частичного гидролиза коллагена из костей, тканей и кожи животных. [6] Существует два типа желатина: тип A и тип B. Коллаген типа A получают путем кислотного гидролиза коллагена и содержат 18,5% азота. Тип B получают путем щелочного гидролиза, содержащего 18% азота и не содержащего амидных групп. Повышенные температуры заставляют желатин плавиться и существовать в виде спиралей, тогда как более низкие температуры приводят к трансформации спирали в спираль. Желатин содержит много функциональных групп, таких как NH2, SH и COOH, которые позволяют модифицировать желатин с помощью наночастиц и биомолекул. Желатин — это белок внеклеточного матрикса, что позволяет применять его в таких областях, как перевязки ран, доставка лекарств и трансфекция генов. [6]
Крахмал: Крахмал — недорогой биоразлагаемый биополимер, имеющийся в изобилии. Нановолокна и микроволокна могут быть добавлены в полимерную матрицу для повышения механических свойств крахмала, повышая эластичность и прочность. Без волокон крахмал имеет плохие механические свойства из-за своей чувствительности к влаге. Крахмал, будучи биоразлагаемым и возобновляемым, используется во многих областях, включая пластмассы и фармацевтические таблетки.
Целлюлоза: Целлюлоза очень структурирована с уложенными друг на друга цепями, что приводит к стабильности и прочности. Прочность и стабильность обусловлены более прямой формой целлюлозы, вызванной мономерами глюкозы , соединенными связями гликогена. Прямая форма позволяет молекулам упаковываться близко. Целлюлоза очень распространена в применении из-за ее обильного запаса, ее биосовместимости и экологичности. Целлюлоза широко используется в форме нанофибрилл, называемых наноцеллюлозой. Наноцеллюлоза, представленная в низких концентрациях, дает прозрачный гелевый материал. Этот материал может использоваться для биоразлагаемых, однородных , плотных пленок, которые очень полезны в области биомедицины.
Альгинат: Альгинат является наиболее распространенным морским природным полимером, полученным из бурых водорослей. Применение биополимера альгината варьируется от упаковочной, текстильной и пищевой промышленности до биомедицинской и химической инженерии. Первое применение альгината было в виде повязки на рану, где были обнаружены его гелеобразные и абсорбирующие свойства. При нанесении на раны альгинат образует защитный гелевый слой, который является оптимальным для заживления и регенерации тканей, а также поддерживает стабильную температурную среду. Кроме того, были разработки с альгинатом в качестве среды доставки лекарств, поскольку скорость высвобождения лекарств можно легко регулировать из-за различной плотности альгината и волокнистого состава.
Применение биополимеров можно разделить на две основные области, которые различаются по их биомедицинскому и промышленному использованию. [1]
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 общих медицинских приложениях из-за их механических свойств. 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 деградации, многие биополимеры обычно лучше справляются с интеграцией в организм, поскольку они также обладают более сложными структурами, похожими на человеческое тело. [ необходима ссылка ]
В частности, полипептиды, такие как коллаген и шелк, являются биосовместимыми материалами, которые используются в новаторских исследованиях, поскольку это недорогие и легкодоступные материалы. Желатиновый полимер часто используется при перевязке ран, где он действует как адгезив. Каркасы и пленки с желатином позволяют каркасам удерживать лекарства и другие питательные вещества, которые могут использоваться 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 инфекций тканей, таких как инфицированная роговица или рак печени. [8] Все коллагеновые пленки использовались в качестве носителей для доставки генов, которые могут способствовать формированию костей.
Коллагеновые губки: Коллагеновые губки используются в качестве перевязочного материала для лечения ожогов и других серьезных ран. Имплантаты на основе коллагена используются для культивируемых клеток кожи или носителей лекарств, которые используются для ожоговых ран и замены кожи. [8]
Коллаген как гемостатическое средство : Когда коллаген взаимодействует с тромбоцитами , он вызывает быстрое свертывание крови. Это быстрое свертывание создает временный каркас, так что фиброзная строма может быть регенерирована клетками-хозяевами. Гемостатическое средство на основе коллагена уменьшает потерю крови в тканях и помогает контролировать 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 многими превосходными характеристиками для биомедицинской науки. Хитозан биосовместим, он высокобиоактивен , то есть стимулирует полезную реакцию организма, он может биоразлагаться, что может исключить вторую операцию при имплантации, может образовывать гели и пленки и является избирательно проницаемым . Эти свойства позволяют использовать хитозан в различных биомедицинских целях.
Хитозан как средство доставки лекарств: Хитозан используется в основном для таргетинга лекарств, поскольку он обладает потенциалом для улучшения абсорбции и стабильности лекарств. Кроме того, хитозан, конъюгированный с противораковыми агентами, может также давать лучшие противораковые эффекты, вызывая постепенное высвобождение свободного лекарства в раковую ткань. [9]
Хитозан как антимикробное средство: Хитозан используется для остановки роста микроорганизмов . Он выполняет антимикробные функции в микроорганизмах, таких как водоросли, грибы, бактерии и грамположительные бактерии различных видов дрожжей.
Хитозановый композит для тканевой инженерии: порошок хитозана, смешанный с альгинатом, используется для формирования функциональных раневых повязок. Эти повязки создают влажную, биосовместимую среду, которая способствует процессу заживления. Эта раневая повязка также является биоразлагаемой и имеет пористую структуру, которая позволяет 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]
Еда : Биополимеры используются в пищевой промышленности для таких вещей, как упаковка, съедобные инкапсуляционные пленки и покрытие пищевых продуктов. Полимолочная кислота (PLA) очень распространена в пищевой промышленности из-за ее прозрачного цвета и устойчивости к воде. Однако большинство полимеров имеют гидрофильную природу и начинают разрушаться при воздействии влаги. Биополимеры также используются в качестве съедобных пленок, которые инкапсулируют пищевые продукты. Эти пленки могут переносить такие вещества, как антиоксиданты , ферменты , пробиотики , минералы и витамины. Пища, потребляемая в инкапсулированной биополимерной пленке, может поставлять эти вещества в организм.
Упаковка: Наиболее распространенными биополимерами, используемыми в упаковке, являются полигидроксиалканоаты (PHA), полимолочная кислота (PLA) и крахмал . Крахмал и PLA имеются в продаже и биоразлагаемы, что делает их распространенным выбором для упаковки. Однако их барьерные свойства (влаго- или газобарьерные свойства) и термические свойства не идеальны. Гидрофильные полимеры не являются водостойкими и позволяют воде проникать через упаковку, что может повлиять на содержимое упаковки. Полигликолевая кислота (PGA) — это биополимер, который обладает отличными барьерными характеристиками и в настоящее время используется для устранения барьерных препятствий, создаваемых PLA и крахмалом.
Очистка воды: Хитозан использовался для очистки воды. Он используется как флокулянт , который разлагается в окружающей среде всего за несколько недель или месяцев, а не лет. Хитозан очищает воду путем хелатирования. Это процесс, в котором связывающие участки вдоль полимерной цепи связываются с ионами металлов в воде, образуя хелаты . Хитозан показал себя отличным кандидатом для использования в 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 пластмассах на основе полистирола или полиэтилена .
Некоторые виды пластика теперь называют «разлагаемыми», «разлагаемыми кислородом» или «разлагаемыми УФ-излучением». Это означает, что они разлагаются под воздействием света или воздуха, но эти пластики 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/EC). Биополимеры разлагаются, и некоторые из них подходят 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: при использовании для производства биополимеров они классифицируются как непищевые культуры . Их можно преобразовать следующими способами:
Сахарная свекла > Гликоновая кислота > Полигликоновая кислота
Крахмал > (ферментация) > Молочная кислота > Полимолочная кислота (PLA)
Биомасса > (ферментация) > Биоэтанол > Этилен > Полиэтилен
Из биополимеров можно изготавливать множество видов упаковки: пищевые лотки, гранулы из выдувного крахмала для транспортировки хрупких товаров, тонкие пленки для обертывания.
Биополимеры могут быть устойчивыми, углеродно-нейтральными и всегда возобновляемыми , поскольку они производятся из растительных или животных материалов, которые можно выращивать бесконечно. Поскольку эти материалы поступают из сельскохозяйственных культур , их использование может создать устойчивую промышленность. Напротив, сырье для полимеров, полученных из нефтехимических продуктов, со временем истощится. Кроме того, биополимеры обладают потенциалом для сокращения выбросов углерода и уменьшения количества CO2 в атмосфере: это связано с тем, что CO2 , выделяемый при их разложении, может быть повторно поглощен культурами, выращенными для их замены: это делает их близкими к углеродно-нейтральным .
Почти все биополимеры биоразлагаемы в естественной среде: они разлагаются на CO2 и воду микроорганизмами . Эти биоразлагаемые биополимеры также компостируемы : их можно помещать в промышленный процесс компостирования, и они разложатся на 90% в течение шести месяцев. Биополимеры, которые делают это, могут быть маркированы символом «компостируемый» в соответствии с Европейским стандартом EN 13432 (2000). Упаковку, маркированную этим символом, можно помещать в промышленные процессы компостирования, и они разложатся в течение шести месяцев или меньше. Примером компостируемого полимера является пленка PLA толщиной менее 20 мкм: пленки, которые толще, чем эта, не считаются компостируемыми, даже если они «биоразлагаемы». [14] В Европе существует стандарт домашнего компостирования и связанный с ним логотип, который позволяет потребителям идентифицировать и утилизировать упаковку в своей компостной куче. [13]
