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 . [1] BSM - 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.
Каждый вид [ требуется уточнение ] обладает секретирующими муцин подчелюстными железами . В настоящее время для человека идентифицировано восемь различных муцинов. [2] Однако именно муцин из коровьего и свиного происхождения использовался в нескольких биоматериалах. 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. [1] Двумя основными компонентами геля являются муцины и вода, причем муцины образуют основу слизистой. [3]
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. [4] 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. [2]
Физические характеристики [ править ]
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. [5] BSM можно купить в виде порошка, в этом случае он имеет цвет от белого до светло-коричневого. [6]
Механические свойства [ править ]
Муцин представляет собой волокнистую матрицу с гелеобразными свойствами. При смешивании с водным раствором более высокие концентрации муцина приводят к более низким значениям поверхностного натяжения. [1] BSM имеет энтальпию гидратации -20 кДж / моль и уровень относительной влажности стеклования 60-70%. [5]
| Источник Муцина | Молекулярный вес [кДа] | Γ [мг / м 2 ] после 24-часовой адсорбции на гидрофильном диоксиде кремния 5 мг / мл муцина [7] | Γ [мг / м 2 ] после 24 ч адсорбции на гидрофобном диоксиде кремния 5 мг / мл муцина [7] |
|---|---|---|---|
| Подчелюстной | 4000 [4] | 0,25 | 2 |
| Подчелюстной свиной | 500–250 [8] | 1,15 | 2 |
| Сублингвальный (высокий молекулярный вес) для человека | > 1000 [9] | - | 5 |
| θ, угол контакта воды с ПММА [1] | γ, поверхностное натяжение на PBS [10] | 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 | 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 [ править ]
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 связываются с полипептидными цепями через О-гликозидные связи.
Взаимодействие с поверхностями [ править ]
Муцины взаимодействуют с поверхностями уникальным образом благодаря амфифильным свойствам, которые проявляют молекулы.
Адсорбция BSM на твердых поверхностях и типы склеивания [ править ]
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 соединение. [12]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 гликозилированные области взаимодействуют с окружающим раствором, вызывая стерическое отталкивание. Силы отталкивания, прикладываемые муцином, создают антиадгезионные свойства, которые могут подавлять адгезию клеток к поверхностям. [3]
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. [3]
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: [3]
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: [3]
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 [ править ]
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 запутываться, когда они присутствуют в низких концентрациях. [3]
Зависимость адсорбции от PH [ править ]
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. [3]
Биосовместимость [ править ]
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.
Реактивность тканей [ править ]
Образцы полиуретана с покрытием BSM имплантировали 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. [3]
Муцины также считаются полезными в тканях, потому что 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 биомедицинских целей, поскольку правильное поглощение белка может потенциально увеличить скорость выздоровления пациентов. [4]
Предотвращение адсорбции частиц [ править ]
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 простираются в окружающий раствор, демонстрируют отталкивающее поведение, которое не позволяет внешним частицам достигать поверхности для адсорбции. В целях предотвращения большего количества адсорбированных частиц толщина слоя BSM должна составлять всего 0,3 мг / м ^ 2, чтобы полностью предотвратить адсорбцию. [3]
Приложения [ править ]
Покрытия имплантатов [ править ]
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 частой 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. Второй,блок PMMA предотвращает растворение BSM в водных средах. Такое поведение обязательно при смазке сердечно-сосудистых стентов и мочевых катетеров, когда они вводятся пациенту. Из-за адсорбции BSM гидрофобность поверхности уменьшается, а также снижается степень бактериальной адгезии.[1]
Системы доставки лекарств [ править ]
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 высвобождают лекарства в окружающую ткань слизистой оболочки после имплантации. Такие системы доставки были изготовлены специально с полимерами PAA и покрытиями BSM. [1]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 лекарств исследуется, чтобы убедиться, 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. [3]
Гидрогели [ править ]
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. [3]
См. Также [ править ]
Модификация поверхности биоматериалов белками
Ссылки [ править ]
- ^ Б с д е е Bushnak И.А., Лабид FH, Sear RP, Keddie JL (2010). «Адгезия микроорганизмов к бычьим подчелюстным муциновым покрытиям: влияние условий нанесения покрытия» (PDF) . Биообрастание . 26 (4): 387–97. DOI : 10.1080 / 08927011003646809 . PMID 20182931 . S2CID 18629974 .
- ^ a b «Полимерные биоматериалы, исправленные и расширенные». Google Книги. Эд. Северян Думитриу. Np, nd Web. 5 мая 2013.
- ^ a b c d e f g h i j k Свенссон, Олоф. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С БИОПОЛИМЕРАМИ И ЧАСТИЦАМИ ЛЕКАРСТВЕННОГО СРЕДСТВА. Тезис. Университет Мальмё, 2008 г. Холмбергс: Университет Мальмё, 2008 г. Печать.
- ^ a b c Пруст, Жак Эмиль; Башкин, Адам; Перес, Эрик; Буассоннада, Мари Мартин (1984). «Адсорбция бычьего подчелюстного муцина (BSM) на границах раздела твердое / жидкое и поверхностные силы». Коллоиды и поверхности . 10 : 43–52. DOI : 10.1016 / 0166-6622 (84) 80006-2 . ISSN 0166-6622 .
- ^ а б Знаменская Яна; Сотрес, Хавьер; Энгблом, Йохан; Арнебрант, Томас; Кочербитов, Виталий (2012). «Влияние гидратации на структурные и термодинамические свойства муцинов желудка свиней и подчелюстной железы крупного рогатого скота». Журнал физической химии B . 116 (16): 5047–5055. DOI : 10.1021 / jp212495t . ISSN 1520-6106 . PMID 22455728 .
- ^ Сигма-Олдрич. «Муцин из подчелюстных желез крупного рогатого скота». Сигма-Олдрич. Sigma-Aldrich, nd Web. 23 мая 2013 г.
- ^ а б Сандберг, Т; Блом, H; Колдуэлл, К. (2009). «Возможное использование муцинов в качестве покрытий из биоматериалов. I. Фракционирование, характеристика и модельная адсорбция муцинов крупного рогатого скота, свиньи и человека». Журнал исследований биомедицинских материалов . 91 (3): 762–772. DOI : 10.1002 / jbm.a.32266 . PMID 19051309 .
- ^ Гупта, R; Джентофт, Н. (1989). "Субъединичная структура свиного подчелюстного муцина". Биохимия . 28 (14): 6114–6121. DOI : 10.1021 / bi00440a058 . PMID 2775758 .
- ^ Бобек, L; Цай, Н; Бисброк, А; Левин, М. (1993). «Молекулярное клонирование, последовательность и специфичность экспрессии гена, кодирующего низкомолекулярный муцин слюны человека (MUC7) *». Журнал биологической химии . 268 (сентябрь): 20563–20569. PMID 7690757 .
- ^ Ши, Лэй; Миллер, Кэрри; Колдуэлл, Карин Д.; Валинт, Пол (1999). «Влияние добавления муцина на стабильность водно-масляных эмульсий». Коллоиды и поверхности B: Биоинтерфейсы . 15 (3–4): 303–312. DOI : 10.1016 / S0927-7765 (99) 00096-X . ISSN 0927-7765 .
- Перейти ↑ Perez E., Proust J. (1987). «Силы между поверхностями слюды, покрытыми адсорбированным муцином в водном растворе». Журнал коллоидной и интерфейсной науки . 118 (1): 182–91. Bibcode : 1987JCIS..118..182P . DOI : 10.1016 / 0021-9797 (87) 90447-4 .
- ^ Gu JM, Robinson JR, Leung SH (1988). «Связывание акриловых полимеров с муцином / эпителиальными поверхностями: взаимосвязь структура-свойство». Crit Rev Ther Drug Carrier Syst . 5 (1): 21–67. PMID 3293807 .
