Bovina submaxillära mucinbeläggningar
| Identifierare av | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| bovint submaxillärt mucin | |||||||
| Organism | |||||||
| Symbol | BSM1 | ||||||
| UniProt | O62672 | ||||||
| |||||||
| Kan vara en del av en större MUC19- gen, som motsvarar det gris submaxillära mucinet. | |||||||
Bovint submaxillärt mucin ( BSM ) beläggningar är en ytbehandling som ges till biomaterial avsedda att minska tillväxten av ofördelaktiga bakterier och svampar som S. epidermidis , E. coli och Candida albicans . BSM är ett ämne som utvinns från fräscha spottkörtlar hos kor. Den uppvisar unika fysikaliska egenskaper, såsom hög molekylvikt och amfifilitet , som gör att den kan användas för många biomedicinska tillämpningar.
Varje art [ förtydligande behövs ] har mucinutsöndrande submaxillära körtlar . För närvarande har åtta olika muciner identifierats för människor. Det är emellertid mucin från källor från nötkreatur och svin som har använts i flera biomaterialtillämpningar. Den vanligaste användningen av BSM är i beläggningar för implanterade material. I sådana applikationer adsorptionsegenskaperna hos BSM en del av beteendet hos material in vivo . Överlevnad och avstötning av ett implantat är starkt beroende av ytmodifieringar som dikterar interaktionen mellan ett material och kroppen. Således ökar BSM-adsorption biokompatibiliteten .
Epitelvävnadslinjer ytor i hela kroppen. Ett slemhinnat gellager bestående av protein täcker denna vävnad. Lagrets huvudsakliga funktion är skydd mot mekanisk stress, uttorkning och bakterieinfektioner. Det spelar också en roll i cellulär signalering, cellulära interaktioner och pH-reglering. De två huvudkomponenterna i gelén är muciner och vatten, varvid mucinerna bildar ryggraden i slemhinnan.
Mucin härstammar från slemutsöndringen från submaxillära körtlar, som är spottkörtlar som finns under golvet i munnen. Det utsöndrade mucinet hjälper till med matsmältningen genom att belägga bolusen så att den lätt färdas genom matsmältningskanalen. Muciner är beståndsdelar i en klass av glykoproteiner : sialinsyrainnehållande glykoproteiner eller mukoproteiner. De har en hög molekylvikt och existerar som antingen membranbundna eller sekretoriska muciner. Den membranbundna typen har ett hydrofilt område som sträcker sig längs ett membran och fäster på cellulära ytor. Sekretoriska muciner är huvudkomponenterna i det slemhinnegelskikt som täcker epitelet.
Fysiska egenskaper
Medan slem mestadels består av vatten, kännetecknas dess strukturella och reologiska egenskaper av mucin. Under ett atomkraftsmikroskop framträder BSM som en sammansättning av hantelformade fibrer på höjder av cirka 1 nm. BSM kan köpas som ett pulver, i vilket fall det ser vitt till ljusbrunt ut.
Mekaniska egenskaper
Mucin är en fibrös matris med gelliknande egenskaper. När den blandas i en vattenlösning resulterar högre koncentrationer av mucin i lägre ytspänningsvärden. BSM har en hydratiseringsentalpi på -20 kJ/mol och en RH-nivå för glasövergång på 60-70%.
| Källa till Mucin | Molekylvikt [kDa] | Γ [mg/m 2 ] efter 24 timmars adsorption till hydrofil kiseldioxid med 5 mg/ml mucin | Γ [mg/m 2 ] efter 24 timmars adsorption till hydrofob kiseldioxid med 5 mg/ml mucin |
|---|---|---|---|
| Bovin submaxillär | 4000 | 0,25 | 2 |
| Submaxillär svin | 500-250 | 1.15 | 2 |
| Människan sublingual (hög molekylvikt) | >1000 | - | 5 |
| θ, kontaktvinkel för vatten på PMMA | γ, Ytspänning på PBS | Ej belagd | 69,4±0,2° | 70,2 [mN/m] | |
|---|---|---|---|---|---|
| Överdragen | 50,2±4,0° | 46,5-47,3 [mN/m] |
| λ, Debye Length [nm] | κ, Adsorption [nm] | δ, ytdensitet av totalt adsorberat mucin [mg/m 2 | |
|---|---|---|---|
| Mucin 0,1 g/L + NaCl 10-3 M | 41 | 0,024 | 2.4 |
| Mucin 0,2 g/L + NaCl 10-3 M | 43 | 0,105 | 4.3 |
| Mucin 0,1 g/L + NaCl 0,15 M | 41 | 0,024 | 4.5 |
| Mucin 0,05 g/L + NaCl 0,15 M | 110 | 0,009 | 2.3 |
Kemisk sammansättning
Eftersom muciner är stora glykoproteiner har de högt kolhydratinnehåll, vilket bidrar till deras fibrösa struktur. Dessa kolhydrater förgrenar sig från polypeptidkedjor i form av oligosackarider inklusive N-acetylgalaktosamin, N-acetylglukosamin, fukos, galaktos och sialinsyra. Serin- och treoninhydroxylgrupperna länkar till polypeptidkedjorna via O-glykosidbindningar.
Interaktion med ytor
Muciner interagerar med ytor på ett unikt sätt på grund av de amfifila egenskaperna som molekylerna uppvisar.
Adsorption av BSM till fasta ytor och typer av bindning
Muciner vidhäftar väl till polymera ytor genom olika typer av bindning: (1) kovalent bindning (2) elektrostatisk interaktion, som kräver matchning av laddningsgrupper mellan polymeren och slem; (3) vätebindning ; och (4) hydrofoba interaktioner. Dessa interaktioner kräver mycket nära kontakt mellan ytan och slemmet för att underlätta en stark bindning. De flesta muciner adsorberas på fasta ytor ganska lätt utan ytbehandling på grund av den attraktiva interaktionen mellan ytan och den icke-glykosylerade regionen av molekylen. Ytkraftsmätningar avslöjar att långdistanssteriska repulsionskrafter existerar mellan mucinbelagda ytor och kan detekteras på ett avstånd på upp till 100 nm eller mer. Detta indikerar att mucinsegment sträcker sig in i den omgivande lösningen på långt avstånd. Eftersom mucin är amfifilt, interagerar de icke-glykosylerade områdena av molekylen med ytan och den glykosylerade regionen interagerar med den omgivande lösningen och orsakar den steriska repulsionen. De frånstötande krafterna som appliceras av mucinet skapar anti-vidhäftande egenskaper som kan undertrycka cellvidhäftning till ytor.
Effektiviteten av mucin vidhäftning till hydrofoba ytor har analyserats genom att applicera en beläggning av mucin och mäta antalet muciner som finns kvar på det hydrofoba materialet efter sköljning. Mängden mucin som avlägsnades var en liten del av det återstående materialet.
En annan metod för att bestämma mängden mucinadsorption till en fast yta involverar att bestämma brytningsindexet för den rena fasta ytan och jämföra detta antal med brytningsindexet med adsorberat mucin på ytan. Adsorbtionen av mucin kommer att förändra brytningsindexet som kan användas för att beräkna mängden mucinmolekyler i det adsorberade skiktet (se ekvationer nedan).
Ekvation för att uppskatta brytningsindex:
n = n s + dn / dc ⋅ c
n= Brytningsindex
n s = Brytningsindex för lösningsmedel
dn/dc= Ökning av brytningsindex
c= Koncentrationer av lösta molekyler
Ekvation för att uppskatta mängden molekyler i det adsorberade lagret:
Γ = n − n s / dn / dc ⋅ d
Γ= Ytöverskott
n= Brytningsindex
n s = Brytningsindex för lösningsmedel
dn/dc= Ökning av brytningsindex
d= Ellipsometrisk tjocklek
Hydrofoba och elektrostatiska interaktioner
Proteiner adsorberas vanligtvis lätt till fasta ytor från vattenlösningar för att bilda en proteinfilm, vanligtvis blandad med vatten. Många typer av interaktioner kan mediera adsorptionen; bland dessa har hydrofoba och elektrostatiska interaktioner identifierats som centrala faktorer som bestämmer proteinadsorption till ytor och den frånstötande reaktionen på molekyler i lösning. Dessutom föreslås strukturella omarrangemang av proteiner samt vätebindning för att påverka adsorptionen. Den glykosylerade regionen av muciner sträcker sig in i vattnet vilket tvingar molekylerna att sträcka sig in i den omgivande lösningen i en slumpmässig spiralkonformation. Dessutom tillåter den höga molekylvikten hos mucin att molekylerna överlappar och trasslar ihop sig när de är närvarande i låga koncentrationer.
PH-beroende av adsorption
Empiriska data har visat att pH har en inverkan på adsorptionen av mucin till ytor. Vid pH 4 var den adsorberade mängden mucin högre, men skiktets tjocklek var lägre jämfört med pH 6-miljöer. Den ökade mängden mucinadsorption kan förklaras av den höga mängden protonerade aminogrupper som finns på pH 4-nivån som bildar elektrostatiska bindningar med negativt laddade grupper i molekylen. Vid lägre pH-värden och låg jonstyrka ökar den adsorberade mängden BSM till en yta. den lägre tjockleksnivån sett ett lägre pH-värde kan förklaras av en starkare attraktiv interaktion av mucin till ytan som gör att partiklarna deformeras lättare för att öka mängden adsorption.
Biokompatibilitet
Eftersom BSM ofta appliceras som en beläggning på ett material som kommer att interagera med människokroppen, är det viktigt att minimera ofördelaktiga interaktioner med vävnader och celler. Två överväganden inkluderar att minska vävnadsreaktivitet, som vid inflammatoriska och immunsvar, och att förhindra adsorption av partiklar, som bakterier.
Vävnadsreaktivitet
BSM-belagda polyuretanprover implanterades i får för att bedöma om beläggningarna orsakade minimala värdsvar under en 30-dagars implantation. Efter inspektion av de explanterade proverna avslöjades det att värdvävnaden hade lägre inflammatoriska svar och minimal kapselbildning med de BSM-belagda polyuretanproverna än de obelagda proverna. Dessa resultat gör BSM-beläggningarna tilltalande för användning i biomedicinska applikationer där syntetiska material har direkt kontakt med vävnader.
Muciner anses också vara användbara i vävnadsrelaterade tillämpningar eftersom de är naturliga och biologiska, kan bilda hydrogeler , uppvisa motståndskraft mot proteolytisk nedbrytning och har god vidhäftning till ytor samtidigt som de stöter bort molekyler vid den omgivande lösningens gränssnitt. Möjligheten att tillåta upptag av vissa proteiner gör också BSM-beläggningarna mycket tilltalande för biomedicinsk användning eftersom korrekt proteinupptag potentiellt kan öka återhämtningshastigheten hos patienter.
Förebyggande av adsorberande partiklar
I de tidigare avsnitten har det beskrivits att mucin är användbart i anti-adhesiva och repellerande tillämpningar. Detta beror på att BSM fäster bra på ytor, men de opolära ändarna av molekylerna som sträcker sig in i den omgivande lösningen uppvisar ett frånstötande beteende som hindrar de externa partiklarna från att nå ytan för adsorption. I aktiviteten att förhindra fler adsorberade partiklar behöver BSM-skiktet endast vara 0,3 mg/m^2 tjockt för att helt förhindra adsorption.
Ansökningar
Implantatbeläggningar
BSM är ett aktivt forskningsområde för flera biomedicinska ingenjörsapplikationer. På grund av dess adsorption på fasta ytor är den användbar in vivo för att förhindra bakterieinfektioner. BSM och bakterier konkurrerar om adsorptionsställen; mucinadhesion blockerar bakteriell vidhäftning på ytor. Följaktligen minskar risken för bakteriell vidhäftning och infektion. Även om bakterieinfektioner är vanliga problem inom medicin-, dental- och livsmedelsindustrin, är de den primära orsaken till enhetsfel i biologiska implantat. För att bekämpa detta problem har BSM använts som en beläggning för en poly(akrylsyra-b-metylmetakrylat) (PAA-b-PMMA) disegmentsampolymer. Sampolymeren tillhandahåller två mekanismer som bidrar till biomaterialets bakteriella resistens. För det första hjälper PAA-blocket adsorptionen av BSM till ytan. För det andra förhindrar PMMA-blocket upplösningen av BSM i vattenhaltiga miljöer. Detta beteende är absolut nödvändigt vid smörjning av kardiovaskulära stentar och urinkatetrar när de förs in i patienter. På grund av adsorptionen av BSM minskar ytans hydrofobicitet liksom förekomsten av bakteriell vidhäftning.
System för läkemedelstillförsel
Läkemedelsleverans är en annan applikation som använder BSM-beläggningar. Läkemedelstillförselsystem använder farmaceutiska produkter i inkapslade fack. Dessa fack är sammansatta av hydrofila polymerer som möjliggör frisättning av ett visst läkemedel med en specificerad hastighet och frisättningsprofil. BSM-beläggningar är fördelaktiga i mukoadhesiva filmer, som frigör läkemedel till omgivande slemhinnevävnad efter implantation. Sådana leveranssystem har tillverkats specifikt med PAA-polymerer och BSM-beläggningar. Precis som applikationen ovan förbättrade PAA-polymeren adsorptionen av BSM på dess yta för att förhindra bakteriell vidhäftning och potentiell infektion. Mucininteraktion med själva läkemedelsprodukten och andra proteiner som påträffas i kroppen är avgörande för läkemedelstillförselsprocessen. Beteendet hos BSM och läkemedel undersöks för att säkerställa att det ena elementet inte stör funktionen hos det andra. Beläggningar syntetiseras, testas och analyseras också så att olika proteiner i kroppen inte negativt påverkar BSM-adsorption och bakteriell resistens.
Hydrogeler
BSM har också använts för tillverkning av hydrogeler. Hydrogeler är tvärbundna hydrofila polymermatriser i vatten, som är dispersionsmediet. Egenskaperna hos BSM är idealiska för hydrogelbildning. Dess glykosylerade regioner interagerar med vatten och bildar långsträckta slumpmässiga spolar. Dessutom gör dess höga molekylvikt det möjligt att överlappa vid låga koncentrationer. Dessa synergistiska beteenden skapar effektiva gelmatriser som är lämpliga för flera biomedicinska applikationer, såsom ställningar, medicinska elektroder och läkemedelstillförselsystem.