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日本 膠原蛋白 限制   影響 吸着(吸収と誤解されない)は、分子、原子、イオン、またはより大きな粒子の表面への蓄積および付着であるが、表面浸透は起こらない. タンパク質などのより大きな生体分子の吸着は高い生理学的関連性を有し、分子または原子アナログとは異なるメカニズムで吸着する. タンパク質吸着の背後にある主な推進力には、表面エネルギー、分子間力、疎水性、およびイオンまたは静電相互作用が含まれる. これらの因子がどのようにタンパク質吸着に影響するかを知ることにより、機械加工、合金化、および他の工学技術によって操作して、生物医学または生理学的用途において最も最適な性能を選択することができる. 関連性 多くの医療機器および製品が、手術器具およびインプラントなどの身体の内部表面と接触する. 非天然物質が体内に入ると、免疫応答の第1段階が起こり、細胞外マトリックスおよび血漿タンパク質を宿主に含有させ、中和し、または壁から取り除こうと試みて物質に凝集する. これらのタンパク質は、組織修復を促進することができる骨芽細胞および線維芽細胞などの様々な細胞型の付着を促進することができる. これをさらに進めると、移植可能なデバイスを生物活性材料でコーティングして、特定のタンパク質の吸着、線維性莢膜形成および創傷治癒を促進することができる. これは、内皮化に必要なタンパク質および細胞を選択することにより、移植拒絶反応のリスクを低減し、回復を加速する. コラーゲンまたはフィブリンなどのタンパク質は、しばしば、細胞接着および細胞増殖のための足場として役立つ. これは、細胞シートの構造的完全性およびより複雑な組織および器官構造へのそれらの分化に不可欠な部分である. 非生物学的表面に対するタンパク質の接着特性は、細胞が骨格を介して間接的にそれらに付着し得るか否かに大きく影響を及ぼす. 股関節置換術のようなインプラントは、宿主組織との統合を必要とし、タンパク質の吸着は、この統合を容易にする. 外科用ツールは、タンパク質が表面に吸着されたままにならないように、より容易に殺菌されるように設計され、交差汚染を危険にさらす.

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クロイツフェルト・ヤコブ病やクルー(狂牛病に関連している)のようないくつかの病気は、正常に元のタンパク質の誤ったまたは不適切に折りたたまれた形態であるプリオンの伝染によって引き起こされる. プリオンで汚染された外科用具は、通常使用される多くの洗浄方法に耐性があるため、ミスフォールドタンパク質のすべての微量元素を完全に消滅させる特別な滅菌方法が必要です. しかし、場合によっては、生体材料へのタンパク質の吸着は極めて好ましくない現象であり得る. 一部のデバイスは、センサや薬物送達ビヒクルなどの体内環境と相互作用することが意図されており、タンパク質の吸着はその有効性を妨げることになる. タンパク質の吸着の基礎 タンパク質は、アミノ酸サブユニットから構成される生体分子である. 各アミノ酸は、周辺環境のpHに応じて電荷を増減する側鎖を持ち、それ自体の極性/非極性の性質も有する. アミノ酸滴定 荷電された領域は、そのタンパク質が他の分子および表面とどのように相互作用するか、ならびにそれ自身の三次構造(タンパク質フォールディング). それらの親水性の結果として、荷電したアミノ酸はタンパク質の外側に位置する傾向があり、そこでタンパク質は表面と相互作用することができる. 表面化学の観点から、タンパク質吸着は、物質の外部でのこれらの分子の凝集を説明する重要な現象である. タンパク質が表面に付着したままである傾向は、表面エネルギー、質感、および相対的電荷分布などの材料特性に大きく依存する. より大きいタンパク質は、アミノ酸と表面との間の接触部位の数が多いため、吸着して表面に付着したままである可​​能性がより高い(図1). より多くのアミノ酸からなるより大きなタンパク質は、より多くの相互作用を作り出すことができることに注意してください タンパク質吸着エネルギー 自発的なタンパク質吸着の基本的な考え方は、ギブスの自由エネルギーの法則よりも多くのエネルギーが放出されたときに吸着が起こるということです. これは、次の式に示されています。 a d s G = a d s H T a d s S 0 {\ displaystyle \ Delta _ {ads} G = \ Delta _ {ads} H- {T} \ Delta _ {ads} S ここで: 広告はパラメータの正味の変化です Gはギブス自由エネルギー Tは温度(SI単位:ケルビン) Sはエントロピー(SI単位:ジュール/ケルビン) Hはエンタルピー(SI単位:ジュール) タンパク質吸着が自発的に起こるためには、adsGは負の数でなければならない. Vroman効果 タンパク質および他の分子は、表面上の結合部位上で常に互いに競合している. Leo Vromanによって開発されたVroman効果は、小さくて豊富な分子が最初に表面をコートすることを前提としています.

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しかし、経時的に、その特定の表面に対してより高い親和性を有する分子は、それらを置き換えるであろう. これは、通常は豊富なフィブリンが最初に表面に結合し、経時的により大きなタンパク質に置換される血液に接触する物質でしばしば見られる. 吸着速度 タンパク質を吸着させるためには、拡散、熱対流、バルクフロー、またはそれらの組み合わせのうちの1つ以上の主要な輸送メカニズムを介して表面と最初に接触しなければならない. タンパク質の輸送を考慮すると、濃度勾配、温度、タンパク質サイズおよび流速がタンパク質の固体表面への到達にどのように影響するかは明らかである. 拡散速度方程式 d n d t = C o ( D t ) 1 / 2 {\ displaystyle {dn \ over dt} = C_ {o}({D \ over \ pi})^ {1/2}} ここで: Dは拡散係数 nはタンパク質の表面濃度 Coはタンパク質のバルク濃度である tは時間です より大きなバルク濃度および/またはより高い拡散係数(分子サイズに反比例する)は、表面に到達する分子の数がより多くなる. 結果として生じるタンパク質表面相互作用は、吸着されたタンパク質の高い局所濃度をもたらし、バルク溶液中よりも1000倍高い濃度に達する. しかし、体ははるかに複雑であり、流れと対流拡散を含み、これらはタンパク質の吸着速度で考慮されなければならない. 薄いチャンネルでの流れ C t V ( y ) C バツ = D 2 C y 2 部分的なx =部分的な^ 2つ以上の部分的な^ 2つの}}} そして V ( y ) = y ( 1 y b ) {\ displaystyle {V(y)= \ gamma y(1- {y \ over b})}} ここで: Cは濃度 Dは拡散係数 Vは流速 xはチャネルの下の距離 壁せん断速度 bはチャネルの高さ この方程式は、特に、動脈内の生物医学装置へのタンパク質吸着の分析に適用可能である。. タンパク質の吸着に影響する力と相互作用 1)イオンまたは静電相互作用、2)水素結合、3)疎水性相互作用(主としてエントロピー駆動)、および4)電荷移動または粒子電子供与体/受容体タイプの相互作用である. イオンまたは静電相互作用 タンパク質の電荷は、そのアミノ酸側鎖のpKaによって決定され、末端アミノ酸およびカルボン酸. 生理学的条件より上の等電点(pI)を有するタンパク質は正電荷を有し、生理学的条件下より低いpIを有するタンパク質は負電荷を有する.

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タンパク質の正味電荷は、その成分の総電荷によって決定され、生理学的電場における電気泳動移動を生じる. これらの効果は、水の二電気定数が高いため短距離であるが、タンパク質が荷電した表面に近づくと、静電結合が支配的な力になる. 折り畳みおよび会合過程の間に、ペプチドおよびアミノ酸基は水素結合を水と交換する. したがって、水素結合は、水性媒体中でのタンパク質吸着に強い安定化効果を持たない. 水素結合を形成するために相互作用する2つの水分子の例 疎水性相互作用 疎水性相互作用は、本質的に、水性媒体中の秩序/無秩序現象のために基本的にエントロピー相互作用である. 界面面積を最小にすることに関連する自由エネルギーは、水中の水滴および気泡の表面積を最小限に抑える役割を果たす. この同じ原理は、疎水性アミノ酸側鎖が水から離れるように配向され、水とのそれらの相互作用を最小にする理由である. したがって、これらの相互作用の駆動力は、全界面自由エネルギーの最小化と考えることができる。. 極性領域(青色)が水と相互作用するようにタンパク質がどのように変化するかの図解、非極性疎水性領域(赤色)は水と相互作用しない. 電荷移動相互作用 電荷移動相互作用は、タンパク質安定化および表面相互作用においても重要である. 一般的なドナー - アクセプタープロセスでは、存在する過剰電子密度が求電子種に供与され得ると考えることができる. タンパク質吸着に影響を及ぼす他の因子 温度 温度は、タンパク質吸着の平衡状態および動力学の両方に影響を及ぼす. タンパク質におけるこれらのコンフォメーションの再配列は、タンパク質吸着の主要な推進力として働くエントロピーの増加をもたらす. タンパク質吸着に対する温度効果は、食品製造プロセス、特に熱処理が行われる装置の壁面に深刻な汚れを引き起こすミルクのような液体食品に見られる. イオン強度 イオン強度は、電解質中の固定電荷の電位の減衰距離に相関するデバイ長さを決定する.

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その結果、反対に荷電した基質への荷電タンパク質の吸着が妨げられ、同様に帯電した基質への吸着が増強され、それによって吸着速度に影響を及ぼす. マルチプロテインシステム 表面が多タンパク質溶液に曝露されると、特定のタンパク質分子の吸着が他のタンパク質よりも優先される. 多タンパク質系では、分子間の引力が起こり得るが、単一タンパク質溶液では、分子間反発相互作用が支配的である. さらに、時間依存性のタンパク質拡散があり、タンパク質分子は最初に表面上の最小限の結合部位と接触する. 表面上のタンパク質の滞留時間の増加に伴い、タンパク質はさらなる結合部位との相互作用のために広がり得る. タンパク質吸着研究のための実験的アプローチ 溶液枯渇技術 この技術は、吸着前後のバルク溶液中のタンパク質の濃度変化を測定し、cp. p = cpV / Atot ここで: V =タンパク質溶液の総容量 アトート=吸着に利用可能な総面積 この方法はまた、粒子状およびビーズ状の吸着剤. エリプソメトリ エリプソメトリーは、吸着されたタンパク質層の構造だけでなくタンパク質の吸着動力学を測定するために広く使用されている. この技術は、平坦な反射面、好ましくは石英、ケイ素またはシリカ、およびタンパク質吸着時の屈折率の強い変化を必要とする. 原子間力顕微鏡 原子間力顕微鏡法(AFM)は、ナノスケールで試料を研究するために使用される強力な顕微鏡法であり、しばしば表面上のタンパク質分布を画像化するために使用される. これは、タンパク質 - タンパク質およびタンパク質 - 表面相互作用を測定するための貴重なツールです. しかしながら、多くのAFM研究の制限要因は、タンパク質の折りたたみに影響する可能性のある表面を乾燥させた後に画像化をしばしば実施し、タンパク質層の構造. さらに、カンチレバーチップは、タンパク質を除去するか、またはタンパク質層を波形にすることができる.

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表面プラズモン共鳴 表面プラズモン共鳴(SPR)は、タンパク質吸着を高感度で測定するために広く使用されている. この技術は、表面プラズモンの励起、金属と誘電体との間の界面に由来する縦方向の電磁波. 200nm以内の分子および薄層の導電性表面上への堆積は、システムの誘電特性、したがってSPR応答を変化させ、金属表面上の分子の存在を知らせる. QCMは、タンパク質吸着研究、特に、標識を含まないタンパク質吸着のリアルタイムモニタリングに広く使用されている. 吸着研究に加えて、QCMは、弾性率、粘度、表面電荷密度、タンパク質コンホメーション変化、生体分子の正味電荷などに関する情報も提供する. 光導波路光モード分光 光導波路光モード分光法(OWLS)は、薄いフィルム光導波路に依存するデバイスであり、慎重な数の導波電磁波. 表面に吸着されるタンパク質の量を測定するために広く使用される他の方法には、放射性標識、ローリーアッセイ、走査角反射測定、全反射蛍光、ビシンコニン酸アッセイなどが含まれる。. 金属へのタンパク質吸着 化学組成 金属結合は、正の金属イオンと周囲の原子価電子雲との間の特異的結合を指す. この分子間力は比較的強く、格子構造とも呼ばれる原子の繰り返し結晶配向を生じさせる. 負に荷電した金属イオンの電子雲は、電荷反発による負に帯電したタンパク質領域の接着を立体的に妨害し、タンパク質の金属表面への利用可能な結合部位を制限する. 格子形成は、コラーゲンおよび他のタンパク質のための結合部位である、露出された潜在的な金属イオン依存性接着部位(MIDAS)との連結をもたらし得る.

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金属の表面は、通常の結晶繰り返しサブユニットが表面で終結するので、バルクとは異なる特性を有する. これは、片側に隣接する原子が存在しない表面原子を残し、本質的に電子分布を変化させる. この現象はまた、表面原子がバルクよりも高いエネルギーを有する理由を説明し、しばしば単に表面エネルギーと呼ばれる. より高いエネルギーのこの状態は望ましくなく、表面原子は利用可能な反応性分子に結合することによってそれを還元しようと試みる. これはしばしば表面吸着原子がより有利なエネルギー状態に還元されるタンパク質吸着によって達成される. 酸素に長時間さらされると、多くの金属が酸化され、電子を失うことによって表面の酸化状態が増加することがあります. この新しいカチオン状態は、表面に正味の正電荷を残し、負に荷電したタンパク質側基に対してより高い親和性を残す. 電気陰性度の高い元素は、人体などの電解質が豊富な水環境に曝されると、より速く腐食されます. 地形の影響 表面の粗さとテクスチャは、すべての材料のタンパク質吸着には否定できない影響を与えますが、金属加工プロセスの偏在によって、これらの影響タンパク質挙動. 研究は、表面粗さが足場タンパク質と骨芽細胞の接着を促進し、表面鉱化の増加をもたらすことを示している. より多くの地形的特徴および粗さを有する表面は、タンパク質が相互作用する表面積がより大きくなる.

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バイオメディカルエンジニアリングの分野では、回復時間を短縮するために、インプラントへのタンパク質接着を高めるために、マイクロマシニング技術がよく使用されています. レーザーパターニングの技術は、接着、移動およびアライメントに影響を及ぼす溝および表面粗さを導入する. グリットブラスト法、サンドブラスト法に類似した方法、および化学エッチングは、チタンインプラントの長期間の安定性を促進する表面粗面化技術が成功していることが証明されている. 安定性の増加は、観察された細胞外基質およびコラーゲン付着の増加の直接的な結果であり、粗面化されていない表面と比較した場合、骨芽細胞付着および石灰化が増加する. 機械は吸着による負の影響を受ける可能性があります。特に、食品産業におけるタンパク質吸着. ポリマーへのタンパク質吸着 バイオメディカルアリーナでのタンパク質吸着を考慮すると、ポリマーは非常に重要です. ポリマーは、典型的には指向性共有結合によって繰り返し結合された1つ以上のタイプの「メル」から構成される. 鎖がメルを添加することによって成長すると、物質の化学的および物理的特性は、モノマーの分子構造によって決定される. ポリマーの種類や種類、およびその製造プロセスを慎重に選択することにより、ポリマーの化学的および物理的特性を、特定の用途のために特定のタンパク質および細胞を吸着するように高度に調整することができる. コンフォメーション効果 タンパク質吸着はしばしば、タンパク質の二次、三次、および四次構造の変化を意味する有意な立体配座変化をもたらす. これらのコンフォメーション変化は、目的の結合部位の配向に依存するリガンド、基質、および抗原とのタンパク質相互作用に影響を及ぼし得る. タンパク質の吸着の結果として、これらの立体配座の変化はまた、タンパク質を変性させ、その固有の特性を変化させることができる. 表面(青色)吸着の結果としてのタンパク質のコンフォメーション変化によるタンパク質(緑)リガンド(赤色星)結合部位の変化の図.

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ポリマー足場への吸着 組織工学は、所望の細胞が増殖するプラットフォームとして足場を利用する比較的新しい分野である. 構造、構造力学、および表面特性は重要な役割を果たすが、タンパク質吸着の分解および速度を理解することも重要である. 力学および幾何学の本質に加えて、適切な足場構築物は、特に関心のある細胞型の付着および移動のために最適化された表面特性を有するであろう. 一般に、操作される組織の自然環境に非常に似ている足場が最も成功していることが見出されている. その結果、処理方法論を介して特定の設計基準に適合させることができる天然ポリマーを研究するための多くの研究が行われている. キトサンは現在、天然に存在するグリコサミノグリカン(GAG)と非常によく似ており、ヒトの酵素によって分解可能であるため、現在最も広く使用されているポリマーの1つです. キトサン キトサンは、結合したキチン由来残基を含む直鎖状多糖であり、体内の多くのタンパク質との高い適合性のために生体材料として広く研究されている. キトサンはカチオン性であり、したがって多数のプロテオグリカン、アニオン性GAG、および負電荷を有する他の分子と静電的に反応する. 多くのサイトカインおよび成長因子がGAGに連結されているので、キトサン-GAG複合体を有する足場は、付着した細胞によって分泌されるこれらのタンパク質を保持することができる. 優れた生体材料の可能性を与えるキトサンのもう一つの品質は、溶液中の高い電荷密度. これにより、キトサンは、多くの水溶性アニオン性ポリマーとイオン複合体を形成し、結合することができるタンパク質の範囲を拡大し、その可能性のある用途を拡大する. ポリマー 足場構造 標的組織 アプリケーションセルタイプ Ref キトサン 3D多孔質ブロック 骨 骨芽細胞様ROS キトサン - ポリエステル 3Dファイバーメッシュ 骨 ヒトMSC キトサン - アルギン酸塩 注射可能なゲル 骨 骨芽細胞様MG63 キトサンゼラチン 3D多孔質シリンダー 軟骨 軟骨細胞 キトサンGP 注射可能なゲル 軟骨 軟骨細胞 キトサン - コラーゲン 多孔質膜 肌 線維芽細胞およびケラチノサイトの共培養 表1:キトサンベースの足場の構造、標的組織、および適用細胞タイプ タンパク質吸着予測 タンパク質の吸着は、多くの産業および生物医学的用途にとって重要であり、したがってタンパク質吸着の予測は決定的に重要である. 生体分子吸着データベース 生体分子吸着データベース(BAD)は、文献から収集された実験的タンパク質吸着データを有する自由に入手可能なオンラインデータベースである. このデータベースは、マイクロ流体デバイス製造のための材料の選択、およびラボオンチップデバイスの最適な動作条件の選択に使用することができる.

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表面に吸着されたタンパク質の量は、BADで利用可能なニューラルネットワークベースの予測を使用して予測することができる. この予測は、BADで利用可能な全データについて5%未満の誤差であることが検証されている. タンパク質層の厚さおよびタンパク質で覆われた表面の表面張力などの他のパラメータもまた推定することができる. pdf "タンパク質吸着に及ぼす表面粗さの影響" Check | url = value(help)(PDF). "生物学的活性RGD修飾チタン表面上の医療感染関連細菌株の接着の減少:細胞選択表面への第一歩". Journal of Biomedical Materials Research Part A. 「バイオセラミックスおよびモデル表面における細胞 - タンパク質 - 物質相互作用」. ^軟骨オリゴマーマトリックスタンパク質のシグナリングドメインの結晶構造:コラーゲン、グリコサミノグリカンおよびインテグリン結合への影響 ^武田、聡。深川誠;林康夫;松本清(1999年2月8日). ^ Xu、Liping; Yu Guoning; Erlin Zhang;鳳パン; Ke Yang(2007年6月4日). Journal of Biomedical Materials Research Part A. Cal Poly Library:Plenum Publishing Corporationの部門. ^ Deligianni、DD; Katsala N; Ladas S; Sotiropoulou D; Amedee J; Missirlis YF(2001). 「チタン合金Ti-6Al-4Vの表面粗さがヒト骨髄細胞応答およびタンパク質吸着に及ぼす影響」.

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