+ All Categories
Home > Documents > Tratat biomolecule

Tratat biomolecule

Date post: 08-Apr-2018
Category:
Upload: madalina-stefania-parpalea
View: 292 times
Download: 7 times
Share this document with a friend
88
8/6/2019 Tratat biomolecule http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 1/88
Transcript
Page 1: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 1/88

Page 2: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 2/88

Prof.univ.dr.doc. Gheorghe Chiriţă de la Universitatea Tehnică din Iaşi, aabsolvit Facultatea de Chimie Industrială a Universităţii Tehnice din Iaşi, înanul 1951. A devenit doctor ing. în 1957 şi doctor docent în 1971. În anul1971 a fost numit conducător  ştiinţific de doctorat şi sub conducerea sa auobţinut titlul de doctor 10 doctoranzi în domeniul chimiei colagenului şi a

tehnologiei pieilor. La absolvirea facultăţii a fost numit asistent, iar până înanul 1965 a promovat la funcţia de profesor. A îndeplinit, mulţi ani, funcţia deşef de catedr ă şi a ocupat funcţii administrative de prodecan şi prorector.

A elaborat şi tipărit 9 căr ţi la editurile: Didactică şi Pedagogică Bucureşti,Tehnică Bucureşti, Gh.Asachi Iaşi, în domeniile: tehnologia pieilor, pieleaanimală, chimia colagenului.

A obţinut 20 de brevete de invenţie şi a publicat 160 de lucr ări ştiinţificeîn reviste din ţar ă şi str ăinătate, în domeniile menţionate mai sus.

A înfiinţat Societatea Română a Chimiştilor din Industria de Pielărie, înanul 1991, pe care a asociat-o la Uniunea Internaţională a Societăţilor Chimiş-tilor din Industria de Pielărie, a cărui preşedinte onorif este pe viaţă.

Prof.univ.dr. Mihai Chiriţă, de la Universitatea de Medicină şi Farmacie„Gr.T. Popa” din Iaşi a absolvit Facultatea de Chimie Industrială aUniversităţii Tehnice din Iaşi, în anul 1980, iar în 1993 a obţinut titlul dedoctor inginer. A urcat toate treptele ierarhiei universitare fiind primul profesor de biomateriale din Romania, la Facultatea de Bioinginerie Medicală din Iaşi, unde este titular al disciplinelor de Biomateriale organice naturale,Fenomene de transfer în mediul biologic, Sisteme de eliberare controlată amedicamentelor, Materiale şi tehnologii biomimetice şi de BIO-TRIZ. În paralel, a avut o bogată activitate în unităţi de producţie şi de cercetare.

Face parte din Asociaţia Exper ţilor din România, în specialitatea produsechimice organice. Este membru a mai multor societăţi ştiinţifice din ţar ă şi dinstr ăinătate, membru în colectivul editorial al revistelor Journal of BionicEngineering şi Romanian Dentistry Journal.

A elaborat şi tipărit 12 căr ţi în domeniul Bioingineriei, Biopolimerilor,Compozitelor naturale, Biomaterialelor la editurile: Tehnică Bucureşti, Gh.Asachi-Iaşi, Ştiinţa Chişinău, TEHNOPRESS Iaşi, Tehnica Info Chişinău.

A elaborat, în domeniile menţionate mai sus, peste 60 de lucr ări ştiinţificecare au fost tipărite în reviste din ţar ă  şi str ăinătate. Are 24 de brevete deinvenţie din care 12 au fost aplicate în practică  şi 5 mărci de produsînregistrate.

www.biomateriale.ro

Page 3: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 3/88

 

PREFA

ŢĂ 

Tratatatul de Biomolecule, în două volume, este o lucrare care merită a fiabordată în continuare, pentru a se prezenta şi alte biomolecule, care sunt în

atenţia cercetării ştiinţifice, pentru a se elucida aspecte de structur ă, de

cunoaştere a unor proprietăţi, unde ingineria, bioingineria, biotehnologia, biomimetica au un câmp larg de acţiune.

Primul volum începe cu un capitol de biomimetică şi bioingineria materia-

lelor, care se regăseşte prin multe exemplificări şi aplicaţii în aproape toatecelelalte capitole ale lucr ării; deoarece biomimetica este ştiinţa care investi-

ghează structurile biologice şi procesele, pentru a le folosi drept modele îndezvoltarea unor sisteme artificiale.

Descoperirile f ăcute în domeniul biomimeticii au un potenţial considerabilîn dezvoltarea unor materiale de înaltă performanţă, cu un impact redus asupra

mediului înconjur ător. Termenul de biomimetică se refer ă la procesele, subs-

tanţele, dispozitivele, sistemele f ăcute de om şi care imită natura.  Numeroase structuri macromoleculare din natur ă constituie tot atâtea

lecţii de ierarhizare structurală şi eficienţă funcţională, exemple care cercetate

astăzi, urmăresc definirea unor strategii biomimetice pentru obţinerea de biomateriale cu aplicaţii în diferite domenii.

Biomoleculele sunt moleculele proprii materiei vii, iar cei mai mulţicompuşi chimici ai organismelor vii sunt compuşi organici ai carbonului.

Compuşii organici prezenţi în materia vie se întâlnesc într-o varietate extraor-

dinar ă  şi mulţi dintre ei sunt extrem de complecşi. Cea mai mare parte dinsubstanţele organice din celule sunt macromolecule ca: proteinele, acizii

nucleici, polizaharidele ( amidonul, celuloza etc.).

Imensa diversitate de molecule organice din organismele vii se reduce la o

mare simplitate. Macromoleculele celulelor sunt compuse din molecule micicare se înşiruie într-o anumită ordine. Astfel, diferitele tipuri de proteine sunt

formate din lanţuri lungi de aminoacizi aşezaţi în ordini diferite. Celuloza şi

amidonul constau din lanţuri de molecule de glucoză.Deoarece miile de macromolecule diferite prezente în celule sunt formate

din numai câteva tipuri de molecule simple, care au rolul de unităţi consti-

Page 4: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 4/88

tuiente, se poate afirma că există o mare simoplitate în organizarea molecular ă a celulelor.

Biomoleculele, bine definite din din punctul de vedere al structurii şi pro- prietăţilor lor, sunt produse de selecţie în timpul evoluţiei terestre, fiind  probabil moleculele cele mai potrivite funcţiei lor biologice şi reacţionează 

unele cu altele în moduri specifice. Mărimea şi forma lor determină specifi-citatea interacţiilor biologice ca şi ultra structura celulelor vii.În volumul I, într-un capitol, se fac o serie de consideraţii despre apă, care

este la originea vieţii şi este indispensabilă supravieţuirii a tot ce este viu, apoi,în capitolele următoare se tratează zaharurile, lipidele, enzimele, acizii nucle-ici, aminoacizii, peptidele şi proteinele, insistându-se, mai ales asupra unor aspecte despre acizii nucleici, aminoacizi, peptide şi proteine.

În volumul al II-lea se abordează domeniul larg al principalelor proteinefibroase, cu multe implicaţii în biologie, biochimie, bioinginerie: colagenul,elastina, reticulana, keratina, ca şi despre mătasea de păianjen, mult cercetată de colective din SUA, Germania şi Canada şi mătasea de viermi de mătase.

Sunt prezentate problemele de structur ă, proprietăţi şi aplicaţii pentru bio-materiale, biosinteze şi sinteze.Sunt expuse date care pot sugera direcţii de cercetare în scopul dezvoltării

cunoaşterii şi a unor aplicaţii practice pe bază de biomimetică, nanotehnologii, bioinginerii, pentru realizarea unor biomateriale utilizabile în diverse scopurişi cu precădere în medicină.

Tratatul de Biomolecule se adresează studenţilor, cercetătorilor, specialiş-tilor din domeniul biochimiei, biologiei, bioingineriei, a celor ce au preocupăriîn promovarea biomaterialelor.

Având în vedere problemele actuale şi multiple de care se ocupă această lucrare, autorii vor fi recunoscători celor care se vor face sugestii cu privire laconţinutul acestui tratat.

16 februarie, 2009 Autorii

Page 5: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 5/88

TRATAT DE BIOMOLECULE  I

CUPRINSUL 

Volumul 1

PARTEA a-I-a

1. BIOMIMETICA ŞI BIOINGINERIA MATERIALELOR 

1.1. Simbioze spre viaţă 1

1.2. De ce să imităm natura ? 2

1.3. Biomimetica 51.4. Istoria materialelor 9

1.5. Materiale şi structuri biomimetice 12

1.6. Aplicaţii biomimetice în medicină 22

 Bibliografie  50

PARTEA a-II-a

COMPONENTE ALE LUMII VII 

2. BIOMOLECULE, CELULA, ŢESUTURI

2.1. Biomolecule 672.2. Celula 71

Page 6: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 6/88

TRATAT DE BIOMOLECULE  II

2.2.1. Consideraţii generale 71

2.2.2. Celulele procariote 732.2.3. Celulele eucariote 76

2.2.3.1. Caracteristici generale 76

2.2.3.2. Membrana celular ă 78

2.2.3.3. Nucleul 802.2.3.4. Citoplasma 84

2.2.3.5. Ciclul celular, proliferarea şi creşterea celulelor 94

2.2.3.6. Consideraţii generale privind îmbătrânirea 972.3. Ţesuturile 98

2.3.1. Ţesuturile epiteliale 100

2.3.2. Ţesuturile conjunctive 1092.3.3. Ţesutul muscular 116

2.3.4. Ţesutul nervos 117

2.3.5. Ţesutul sanguin şi limfatic

 Bibliografie 

117

117 

3. APA

3.1. Consideraţii generale 1203.2. Proprietăţile fizice ale apei 123

3.3. Structura apei şi a gheţii 1253.4. Apa grea 131

3.5. Soluţiile în apă 132

3.5.1. Aciditatea şi alcalinitatea soluţiilor 134

3.6. Apa ca solvent

 Bibliografie 

139

142

4. ZAHARURI

4.1. Introducere 143

4.2. Monozaharide 144

4.2.1. Proprietăţile fizice şi chimice ale monozaharidelor 1494.2.2. Monozaharide mai importante 151

Page 7: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 7/88

TRATAT DE BIOMOLECULE  III

4.3. Oligozaharide 152

4.4. Polizaharide 1554.4.1. Polizaharide de rezervă 156

4.4.2. Polizaharide de structur ă 159

4.5. Glicoproteide 162

4.5.1. Mucopolizaharide 1654.5.1.1. Acidul hialuronic 166

4.5.1.2. Condroitina, Condroitin 4 sulfatul, Condroitin 6 sulfatul 167

4.5.1.3. Sulfatul de dermatan 1684.5.1.4. Heparina, Sulfatul de heparină 169

4.5.1.5. Sulfatul de keratan 169

4.5.1.6. Hidratarea mucopolizaharidelor 

 Bibliografie 

170

172

5. LIPIDE

5.1. Introducere 1745.2. Lipidele complexe 175

5.2.1. Gliceridele 175

5.2.1.1. Proprietăţile fizice şi chimice ale gliceridelor 1775.2.2. Acizii graşi 179

5.2.3. Alchileteracilglicerolii 181

5.2.4. Glicozilacilglicerolii 1825.2.5. Fosfogliceridele 182

5.2.6. Sfingolipidele 1855.2.6.1. Sfingomielinele 186

5.2.6.2. Glicosfingolipidele neutre 186

5.2.6.3. Glicosfingolipidele acide 1875.2.7. Cerurile 188

5.3. Lipidele simple 189

5.3.1. Terpenele 189

5.3.2. Steroidele 1915.3.3. Prostaglandinele

 Bibliografie 

195

196 

Page 8: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 8/88

TRATAT DE BIOMOLECULE  IV

 

6. ENZIME

6.1. Caracteristici generale 198

6.2. Activitatea catalitică a enzimelor 201

6.3. Cinetica reacţiilor catalizate enzimatic 2046.3.1. Efectul concentraţiei de substrat asupra activităţii enzimatice 206

6.3.2. Efectul temperaturii asupra activităţii enzimatice 208

6.3.3. Efectul pH-ului asupra activităţii enzimatice 2096.3.4. Influenţa activatorilor şi a inhibitorilor asupra

activităţii enzimatice 209

6.4. Specificitatea catalizei enzimatice 2126.5. Enzime proteolitice 213

6.5.1. Enzime proteolitice ale vertebratelor 214

6.5.2. Enzime proteolitice ale sângelui 2206.5.3. Enzime proteolitice de origine vegetală 221

6.5.4. Enzime proteolitice microbiene şi fungice Bibliografie

222

 224

7. ACIZII NUCLEICI

7.1. Noţiuni generale 226

7.2. Pirimidine şi purine 2277.2.1. Pirimidina 227

7.2.2. Purina 229

7.3. Nucleozide 2317.4. Nucleotide 232

7.5. Acidul dezoxiribonucleic (ADN) 234

7.5.1. ADN viral 2427.5.2. ADN bacterian 242

7.5.3. Cromozomii eucariotelor 242

7.5.4. Rolul genetic al ADN 245

7.5.5. Proprietăţile ADN în soluţie 2477.6. Acidul ribonucleic (ARN) 249

7.6.1. Acidul ribonucleic mesager (ARNm) 250

7.6.2. Acidul ribonucleic de transfer (ARNt) 252

Page 9: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 9/88

TRATAT DE BIOMOLECULE  V

7.6.3. Acidul ribonucleic ribozomal (ARNr) 254

7.6.4. Ribozomii 2557.6.5. Virusurile 255

7.7. Acţiunea şi interacţiunea genelor 257

7.7.1. Reglarea activităţii genelor 262

7.8. Măsurarea concentraţiei şi purităţii acizilor nucleici 2667.8.1. Metode optice 266

7.8.2. Metoda fluorescenţei 266

7.9. Păstrarea ADN 2677.10. Purificarea ADN 267

7.11. Precipitarea ADN 268

7.12. Izolarea ADN din din Escherichia coli 2687.13. Izolarea plasmid ADN 269

 Bibliografie   271

8. AMINOACIZII

8.1. Consideraţii generale 273

8.2. Proprietăţile fizice ale aminoacizilor 284

8.3. Proprietăţile chimice ale aminoacizilor 2958.4. Stereochimia aminoacizilor 300

8.4.1. Configuraţia aminoacizilor 302

8.5. Biochimia aminoacizilor 3098.5.1. Aminoacizii în alimentaţie 309

8.5.2. Degradarea oxidativă a minoacizilor 311

8.5.3. Decarboxilarea aminoacizilor de către microorganisme 319

8.5.4. Transaminarea 3228.6. Aminoacizi mai importanţi şi derivaţii lor 324

8.7. Sinteze de aminoacizi

 Bibliografie

329

 336 

9. PEPTIDE

9.1. Caracteristici generale 3379.2. Sinteza peptidelor 341

Page 10: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 10/88

TRATAT DE BIOMOLECULE  VI

9.2.1. Sinteza peptidelor pe suport polimer 348

9.3. Peptide naturale biologic active

 Bibliografie 

350

 352

10. BIOSINTEZA PROTEINELOR 

10.1. Traducerea mesajului genetic la biosinteza proteinelor 35310.2. Inhibitori ai biosintezei proteice 358

10.3. Poliribozomii 360

10.4. Mitocondriile 36210.5. Codificarea informaţiei genetice 363

10.5.1.  Originea şi evoluţia codului genetic

10.6.  Purificarea proteinelor 

 Bibliografie

366

369

 372

11. PROTEINE

11.1. Consideraţii generale 37411.2. Fundamentul structurii proteinelor 380

11.3. Structura proteinelor 385

11.4. Funcţiile biologice ale proteinelor 39311.5. Denaturarea proteinelor 394

11.6. Stabilitatea şi funcţiile proteinelor 395

11.7. Proteine mai importante 398

11.7.1. Proteine solubile 39811.7.2. Proteine insolubile 402

11.7.3. Proteide 404

11.8. Separarea, purificarea şi caracterizarea proteinelor 40711.8.1. Consideraţii generale 407

11.8.2. Separarea proteinelor din amestecuri 410

11.8.3. Extracţia şi purificarea proteinelor 41311.8.4. Caracterizarea moleculelor de proteine

 Bibliografie

413

 413

Page 11: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 11/88

 

Cuprinsul volumului al II-lea

Partea a – III – a

Proteine fibroase:

Cap. 12. Colagenul

Cap. 13. Elastina

Cap. 14. Keratina

Cap. 15. Mătasea de păianjen

Cap. 16. Mătasea de viermi de mătase

Page 12: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 12/88

 

  PARTEA a-I-a

BIOMIMETICA ŞI BIOINGINERIA MATERIALELOR  

Page 13: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 13/88

 

Biomimetica urmăreşte realizarea modelelor, a sistemelor, imitând inven-ţiile vieţii. Sunt implicate domenii noi ale cunoaşterii, ştiinţa materialelor  şi

 biotehnologiile.

Vieţuitoarele în competiţia lor eternă pentru supravieţuire, au găsit căile de

adaptare, reproducere şi de evoluţie folosind un număr restrâns de resurse.Toate organismele vii consumă energie într-o formă sau alta, încearcă 

continuu să facă un efort maxim cu consum minim de energie şi optimizează 

constant relaţia energie−funcţie vitală. Organismele care predomină sau careevoluiază rapid sunt acele care pot asimila aproape toată hrana ingerată sau

care s-au adaptat eficient în a absorbi şi a transforma forme de energie dinmediul ambiental.

Pentru organismele vii costul este echivalent energiei, iar competiţia de pe

 piaţă se echivalează cu lupta pentru supravieţuire, unde cel mai eficient ener-getic evoluiază, se reproduce şi deci supravieţuieşte.

Ingineria este limitată de costuri şi va supravieţui acea tehnologie sau

aplicaţie care dă un randament maxim la un preţ de cost minim.„Copierea” unor idei de la natur ă sau interpretarea şi implementarea lor adecvată pot creşte eficienţa utilizării energiei în multe dintre procesele ingi-

nereşti. Problema bioinginerilor, a inginerilor şi a biologilor este mereu acee-

aşi: preţul de cost, adică designul, fabricarea, întreţinerea şi reciclarea noilor  produse.

Lumea biologică este conservatoare sub aspectul componentelor utilizate,

dar extrem de subtilă în abilitatea de aranjare structurală, în ierarhizarea aces-tora.

Materialele biologice probează performanţe specifice şi caracteristici re-

marcamile, dobândite nu prin utilizarea unor materiale performante, ci prin

specificul construcţiei şi al designului structurilor.Procesele de creştere a sistemelor organice dau naştere la sisteme compo-zite sintetice complexe moi sau dure. La scar ă microscopică aceste materiale

sunt constituite din compozite cu matrici fibrilare.

Pe tot parcursul acestei lucr ări şi mai ales în partea a III-a, care tratează 

despre proteinele fibroase (colagenul, elastina, keratina, mătasea de păianjenetc.), s-au inclus bazele mimeticii, a biotehnologiilor în exemplele de aplicaţii

 practice ale biomaterialelor.

Page 14: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 14/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   1

CAPITOLUL 1

BIOMIMETICA ŞI BIOINGINERIA MATERIALELOR 

1.1. Simbioze spre viaţă 11.2. De ce să imităm natura ? 21.3. Biomimetica 51.4. Istoria materialelor  9

1.5. Materiale şi structuri biomimetice 121.6. Aplicaţii ale biomimeticii 

 Bibliografie 

 22

 50

1.1. SIMBIOZE SPRE VIAŢĂ 

Cercetarea ştiinţifică în domenii biomedicale vizează realizarea modele-lor  şi dispozitivelor, imitând sau inspirându-se din „invenţiile” vieţii. Unele

dintre aceste invenţii servesc ca proteze sau aparate de schimb (rinichi artifi-cial, audiofoane, dializoare).În acest domeniu extrem de actual găsim implicate laturi noi ale

cunaoşterii ca ştiinta biomaterialor  şi bioingineria medicală. Creşterea expo-nenţială a interesului pentru acest domeniu de cercetare cu aplicaţii medicaleeste confirmată prin 111.822 de publicaţii despre materiale biologice şi a 2.553de publicaţii despre compozite biologice între anii 2000–2005, însumândacelaşi număr de semnalări pe acestă temă în perioada 1950–1999.

Apare dictonul: Viitorul medicinei = biomateriale [1]. Se intr ă astfel înera biomaterialelor  şi a compozitelor de uz medical cu topici ca: implanturiortopedice, materiale regenerative, stenturi cardiovasculare, valve cardiace,

Page 15: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 15/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  2

  pacemakers, substituţie tisular ă, nanoroboţi medicali [2,3], biomembrane, biosenzori, nanotehnologii medicale, nanomedicină etc.

Simbioza dintre termenii natur ă (plante şi animale) şi inginerie sau bioinginerie este extrem de interesantă şi cu multe aplicaţii practice (Fig. 1.1.).

1.2. DE CE SĂ IMITĂM NATURA?

Vieţuitoarele, în competiţia lor eternă pentru supravieţuire, au găsit căilede adaptare, reproducere şi evoluţie folosind un număr restrâns de resurse.

Toate organismele vii consumă energie într-o formă sau alta (exemplu,lumină solar ă sau alte organisme drept hrană), înceacă continuu să facă unefort maxim cu o cheltuială minimă de energie şi optimizează constant relaţiaenergie−funcţie vitală. Organismele care predomină sau care evoluează rapidsunt acelea care pot asimila aproape total hrana ingerată sau care s-au adaptateficient în a absorbi şi a transforma forme de energie din mediul ambiental.

Pentru organismele vii costul este echivalent energiei, iar competiţia pe piaţă se echivalează cu lupta pentru supravieţuire, unde cel mai eficientenergetic evoluează, se reproduce şi deci supravieţuieşte.

Prin comparaţie, ingineria este limitată de costuri şi va supravieţui aceatehnologie sau aplicaţie care dă randament maxim la un preţ de cost minim.

Fig.1.1. Simbioze spre viaţă (4)

BIO INGINERIA MATERIALELOR

BIOMIMETICĂ

BIONICĂ  NATURABiopolimeriBioceramiciBiocompozite

INGINERIA

Materiale

Aplicaţii medicale

Bio materiale

Page 16: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 16/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   3

“Copierea” unor idei de la natur ă sau interpretarea şi implementarea lor adecvată pot creşte eficienţa utilizării energiei în multe dintre procesele ingi-nereşti. Problema bioinginerilor, a inginerilor şi a biologilor este mereu acee-aşi: preţul de cost, adică cât costă designul, fabricarea, întreţinerea şi recicla-rea noilor produse.

În natur ă, forma sau structura este mai “ieftină” decât componenteleacesteia (exemple, zaharuri, aminoacizi, săruri etc.) întrucât atât organismelevegetale cât şi cele animale trebuie să  şi le prepare din hrana provenită dinmediul înconjur ător.

Controlul formelor vii asupra asamblării şi a structur ării acestor materii  prime esenţiale este mult mai eficient şi deci mai performant decât cel al  proceselor inginereşti. Latura primordială a acestui control o constitue meca-nismele feed-back-ului celular care direcţioneză acumularea materialelor sprelocurile unde sunt stringent necesare, rezultând astfel structuralizări adapta-tive.

Lumea biologică este conservatoare sub aspectul componentelor utilizate,

dar extrem de subtilă în abilitatea de aranjare structurală, în ierarhizarea aces-tora.Materialele biologice probează performanţe specifice şi caracteristici

remarcabile, dobândite nu prin utilizarea unor materiale performante ci prinspecificul construcţiei şi al desingnului structurilor.

Structurile ierarhizate sunt ansambluri de unităţi micro şi macro mole-culare sau agregate ale acestora, care sunt învăluite sau inter ţesute cu alte fazeorganizate similar. Arhitecturile naturale multistratificate confer ă asambluluicaracteristici unice. Arhitecturile ierarhizate ale celulozei din lemn sau a cola-genelor din cartilaj, constituie exemple definitorii de materiale compozitenaturale (biocompozite) desemnate de a juca roluri vitale esenţiale în apliacţiimultifuncţionale.

Astfel, procesele de creştere a sistemelor organice dau naştere la sistemecompozite complexe moi sau dure. La scar ă macroscopică aceste materialesunt constituite din compozite cu matrici fibrilare.

Ţesuturile moi sunt constituite dintr-o reţea din colagen şi elastină învă-luită de matricea extracelular ă. Colagenul este o proteină fibroasă formată dinmacromolecule rigide de tropocolagen (vezi cai 11). [7].

Un alt exemplu de înaltă structurare−ierarhizare naturală îl constituiedubla elice a ADN din fiecare celulă umană (vezi cap.7).  Informa ţ ia genetică  este conţinută în nucleul celulelor, în cromosomi, în segmente numite  gene.

Omul posedă cca. 30.000 de gene, cu foarte puţine mai mult raportat ladiferenţa de complexitate, faţă de numărul de gene al unor plante unicelulare

Page 17: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 17/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  4

de cca. 25000 de gene. Natura se dovedeşte din nou conservatoare iar oameniide ştiinţă trebuie să caute în altă parte explicaţia complexităţii organismuluiuman.

Abundenţa din natur ă în structuri complexe macromoleculare şi supra-moleculare ofer ă cercetătorilor adevărate lecţii de structuralizare ierarhizată şi

de eficienţă funcţională.Compozitele naturale sunt constituite din materiale individual slabe,flexibile, nerezistente la factori mecanici, uşor termo-oxidabile, pe care însă natura are capacitatea de a le combina şi organiza în structuri rezistente, tari,rigide sau elastice, dure, uşoare şi rezistente la acţiunea agenţilor chimici.

Biosinteza materialelor biologice se realizează în urma unor proceseenergetice extrem de eficiente. Cantitatea mică de energie consumată de aceste  procese este r ăsplătită de un design molecular precis al constituienţilor  biopolimerici, autoasamblaţi în structuri precis ierarhizate.

Aceste structuri naturale se caracterizează prin: abilitatea de a suportasarcini mari, multiple şi complexe, capacitatea de autoreparare şi autoîntre-

ţinere, densitate mică  şi probează eficienţă maximă în aranjarea spaţială acomponentelor structurale proprii.Materialele compozite organice naturale sunt compozite biologice. Aces-

tea sunt sintetizate de sitemele biologice în condiţii de temperatur ă şi presiuneambientale, în mediu apos şi ating un grad extrem de ridicat de complexitatefizico-chimică  şi funcţională. Biocompozite ca osul, lemnul sau cuticulainsectelor, ofer ă o sursă bogată de informaţii sau soluţii în probleme de designa materialelor create de către om, atât la nivel microstructural cât şi la nivelmacroscopic.

Compoziţia chimică, reactivitatea “in vivo” a componentelor, forma,dimensiunile, orientările angulare şi organizarea pe asamblu a materialelor compozite naturale pot sugera noi concepte de materiale compozite sinteticesau hibrid, natural-sintetice.

Datorită designului lor inteligent şi proprietăţilor fizico-chimice comple-xe, materialele naturale intr ă în componenţa majorităţii compozitelor realizatede către om.

Exemple clasice de compozite naturale de înaltă performanţă sunt cele încare matricea de proteine controlează formarea componentelor anorganice,inclusiv a carcaselor de os şi de email. Alte compozite naturale cu proprietăţiunice sunt spinii cactusului, cu gradul lor ridicat de rigiditate, datorită unuicompozit celulozic-arabinic, tunicile piersicilor de mare, compozite pe bază deceluloză, proteine şi mucopolizaharide etc.

Page 18: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 18/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   5

1.3. BIOMIMETICA

 Biomimetica (biomimeză, biognoză, bionică) reprezintă beneficiul tehno-logic obiţinut prin actul de a “împrumuta” sau de a “fura” idei de la natur ă.

Datorită faptului că mulţi cercetători şi tehnologi caută să afle r ăspun-surile la enigmele corpurilor animalelor şi plantelor pentru a se putea inspira încreaţie, să realizeze noi materiale şi structuri, a apărut disciplina de bio-mimetică. Astfel, unii studiază căile metabolice de formare a compuşilor chimici naturali, pentru a putea crea o legătur ă între o următoare invenţie şioriginea acesteia. Alţi cercetători imită porozitatea oaselor, adezivii moluşte-lor etc.Studiile biomimetice au menirea de a clarifica de ce performanţele mate-rialelor naturale sunt semnificativ superioare acelora f ăcute de mâna omului(compozitele sintetice) sau care dintre componentele naturale sunt responsa- bile de anumite proprietăţi sau caracteristici.

Biomimetica este o ştiinţă care investighează structurile biologice şi pro-cesele, pentru a le folosi drept modele în dezvoltarea unor sisteme artificiale.Descoperirile f ăcute în domeniul biomimeticii au un potenţial considerabil îndezvoltarea unor materiale de înaltă performanţă, cu un impact redus asupramediului înconjur ător [8,9].

Aceasta este graniţa dintre vechi şi nou, punctul de plecare în dezvoltareaunor ramuri noi ale cunoaşterii aplicate. Domeniul materialelor biologice şi alsistemelor naturale este extensiv, reprezentând o temă interdisciplinar ă carecuprinde ştiinţa biomaterialelor, biomecanica (10), bioingineria, ingineria cuaportul biologiei şi al medicinei.

Termenul de „biomimetic” se refer ă  la procesele, substanţele, dispoziti-vele, sistemele f ăcute de către om şi care imită natura.

Arta şi ştiinţa de a desena, proiecta şi construi aparate biomimetice senumeşte biomimetică  şi însumează mai multe sfere de interes ştiinţific şiaplicativ dintre care: nanotehnologii, protezare medico-chirurgicală  şi indus-trie medicală (anticorpi şi substituenţi universali de sânge nanorobotici, orga-ne artificiale, membre artificiale, diverse dispozitive electronice etc.), roboti-că, inteligenţă artificială, industrie de apărare (aparate de vizionare în diverselungimi de undă, aparate de ascultat, amplificatoare de semnal, sisteme denavigare, convertoare de date) etc.

J.Vincent [11,12] a subliniat faptul că designul naturii are multe aplicaţii practice în diverse sectoare ale activităţii umane. Velcro şi turnul Eiffel nu aunimic în comun în afar ă de faptul că designerii ambelor s-au inspirat din

Page 19: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 19/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  6

natur ă, aplicând principii biomimetice. Reţeaua neuronală reprezintă un com- puter biomimetic ipotetic care funcţioneză prin asocieri şi prezumţii în urmaunei instruiri prealabile şi care poate învăţa din proriile-i greşeli. Pe parcursulexistenţei lor, atât plantele cât şi animalele au evoluat, adică au supravieţuit,soluţionând probleme care astăzi, cu alte mijloace, încearcă să le rezolve

oamenii de ştiinţă. Plantele şi animalele au dat soluţii optime de design la probleme existenţiale.  Numeroasele structuri macromoleculare şi supramoleculare din natur ă 

constituie tot atâtea lecţii de ierarhie structurală şi eficienţă funcţională, exem-  ple care sunt cercetate astăzi spre definirea unor noi strategii biomimetice pentru obţinerea de biomateriale cu aplicaţii medicale.

Legăturile chimiei cu ştiinţele vieţii (biologie, medicină, ştiinţe agricole şicele derivate din acestea) sunt vechi şi bine cunoscute. Încă de la începutulsecolului 20, mari chimişti organicieni au fost preocupaţi de aspectele  biologice ale chimiei, iar numeroase exemple reprezentative în acest sens segăsesc în seria Premiilor Nobel legate de chimia naturii (Fig. 1.2.).

În 1907, laureatul Nobel Emil Fischer scria: „în prima sa tinere ţ e, chimiaorganică a fost strâns conectat ă cu biologia”

Fig.1.2. Legături de interdisciplinaritate

Elaborarea modelului structurii de dublă elice a acidului dezoxiribonuc-leic (ADN) de către biologii Francis Crick  şi James Watson a condus laPremiul Nobel pentru medicină, acordat în anul 1962.

Page 20: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 20/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   7

Un număr mare de cercetări au abordat studiul catalizatorilor naturali custructur ă proteică, enzimele, care, în condiţii blânde de reacţie, pot creşteextrem de selectiv viteza unei reacţii de cca.10 miliarde de ori, reducând, deexemplu, la 5 secunde durata unei reacţii care, necatalizată, ar dura 1500 de ani.Se încearcă imitarea naturii şi în acest domeniu, dorindu-se obţinerea de

enzime artificiale prin utilizarea aceloraşi fragmente moleculare pe care lefoloseşte natura. Se dezvoltă rapid domeniul chimiei biomimetice, dedicatimitării chimiei enzimelor naturale cu mijloacele şi materialele clasice în paralel cu domeniul reac ţ iilor catalizate de enzime naturale extrase din mediivii (vezi cap. 6)

Laureatul Nobel J.M.Lehn sublinia: „chimia se bazeaz ă pe lumea biologică  

  printr-o axiomă  de existen ţă : simplul fapt că  sistemele biologice  şi în  particular fiin ţ ele umane exist ă   , demonstreaz ă  complexitatea fantastică  a

 structurii  şi func ţ ionă rii lumii moleculare. Ea arat ă  că  o astfel de complexi-

tate exist ă  , în pofida inabilit ăţ ii noastre prezente de a în ţ elege cum opereaz ă   şicum a apă rut.” .

BIOLOGIE

CHIMIE

Complexitate

Evolutie

Diversitate

 

Fig.1.3 Corelaţia dintre chimie şi biologie

Lehn a prezentat într-o diagramă corelaţia dintre biologie (Fig.1.3) − careoperează cu un număr redus de clase chimice, dar de complexităţi extreme – şichimie – care lucrează cu structuri mult mai simple, dar r ăspândite înnumeroase grupe structurale.

Page 21: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 21/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  8

Mimând şi adaptând conceptele naturale se pot crea noi clase de bioma-teriale cu proprietăţi inedite cum ar fi recunoaşterea molecular ă, autoasam- blarea şi autorepararea. Prin înţelegerea precisă a secretelor naturii privindinteracţiunile ce guvernează matricea celular ă, se pot imagina şi proiecta noi  biomateriale biomimetice cu facilitarea adeziunilor celulare specifice sau cu

acţiune inversă, de diminuare a adsorbţiei de proteine nespecifice, ca în cazulacoperirilor anticoagulante.Disciplina ştiinţifică preocupată de studiul genelor a primit numele de

 genomică . Lansat în 1990, proiectul   genomului uman, incluzând laboratoaredin mai multe ţări cu un total de circa 1000 de cercetători, elucida în anul 2000  peste 95% din secvenţa ADN. Prin cumularea informaţiilor furnizate de unnumăr imens de determinări a fost posibilă asamblarea aşa-numitei hă r  ţ i

 genetice a omului. Proteomica studiaz ă  replicarea, transcripţia şi translaţia, etapele cheie ale

 biosintezei proteice, specifice fiecărui organism în parte. Implicaţii practice ale genomicii încep deja să apar ă în medicină. Se prevăd terapii genetice care nu

sunt adresate bolii cum este cazul medicinii clasice ci pacientului. Deja în hartagenetică s-au identificat şi marcat multe dintre genele care produc ma-ladii.Se dezvoltă rapid   genetica chimică , prin care se urmăreşte sinteza

organică a unor molecule de înaltă specificitate, asemănătoare cu cele naturaleşi care reacţionează cu o genă sau cu o proteină producând creşterea sauinhibarea activităţii acesteia, după principii biomimetice. Efortul chimiştilor dea împrumuta idei de la natur ă, probează eficienţă numai după înţelegerea pro-fundă a fenomenelor biologice şi implicit, prin transferul în chimie a unor con-cepte esenţiale din biologie.

  Ingineria tisular ă  sau bioingineria  ţ esuturilor  se refer ă la metode decultivare a celulelor şi ţesuturilor, menite de a se realiza ţesuturi viabile utile înmedicină, indicând calea de obţinere a organelor artificiale de înlocuire: piele,cartilaj, rinichi, ficat, pancreas, os, sistem vascular. Aceste ţesuturi vii, produseîn laborator sau în instalaţii bioindustriale, vizează substituţia ţesutului bolnavsau/şi stimularea−dezvoltarea unui nou ţesut la locul lezat. Cea mai vechereferinţă la principiile ingineriei tisulare de astăzi [11] poate fi considerată  pasajul din Geneza I:1: „Dumnezeu a suflat un somn adânc către bărbat şi i-aluat una din coaste, şi a închis locul la loc cu carne. Dumnezeu apoi a construitcoasta femeii din coasta pe care i-o luase din barbat”.

  Ingineria genetică , care manipulează mesajul genetic, este domeniul celmai spectaculos din toate aplicaţiile existente, fiind echivalentul chirurgiei lanivel intracelular.

Page 22: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 22/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   9

  Ingineria enzimatică  studiază realizarea şi conducerea bioreactoarelor,unde enzimele au rolul principal în biocataliză. Şi exemplele de ramuri noi alecunoşterii pot continua.

 Biomimetica a fost recunoscută ca ştiinţă abia în anul 1917 de cătreD’Arcy Thompson, un naturalist şi matematician scoţian, care a aplicat mate-

matica şi fizica în morfologie şi a comparat scheletul animalelor cu patrumembre cu realizarea podurilor, concluzionând că podurile nu sunt altcevadecat „schelete bine plănuite”. A fost primul om de ştiinţă care a integrat fizicaşi matematica în zoologie şi morfologie.

 Bionica reprezintă ştiinţa ce studiază sistemele biologice pentru a obţinecunoştinţe utile fiinţei umane. Din punct de vedere etimologic, cuvântul vinede la grecescul “bio” ce înseamnă viaţa şi de la „nica”, despre care nu secunoaşte cu precizie dacă se refer ă la ultimele patru litere din cuvintele„tehnică” sau „electronică”.

Anul de naştere al bionicii este 1960. Bionica îşi asumă responsabilitateaistorică de a înnoi produsele sale, prin învăţătura pe care noi, oamenii, o obţi-

nem prin observarea naturii; f ăr ă îndoială cea mai mare provocare estefolosirea acestor noţiuni în producerea analogilor cotidieni cu caracteristicileobservate. Încălzirea globală şi schimbarea nedorită a mediului de viaţă au dusla conştientizarea importanţei biomimeticii pentru a menţine ce ne-a mai r ămasde la natur ă.

1.4. ISTORIA MATERIALELOR 

Dacă privim îndăr ăt în istoria omenirii vom constata că epocile poartă numele celor mai imporatante materiale ale vremii: epoca de piatr ă, epoca bronzului, epoca fierului, epoca oţelului, a polimerilor etc (Fig.1.4.).

Omul primitiv a folosit materiale ca piatra şlefuită în diverse forme,lemnul, oase de la diferite animale pentru unelte, arme şi podoabe. Lemnul afost materialul de bază în construcţia ambarcaţiunilor, a instrumentelor muzi-cale, a multor amsamble şi subansamble ale maşinilor manufacturilor, iar maitârziu din lemn au fost construite şi aparatele de zbor. Criteriile de alegere aacestor materiale naturale au fost, mai ales, disponibilitatea şi proprietăţile lor mecanice.

Fiecare nouă epocă a reprezentat un pas înainte în civilizaţie şi cultur ă.Dezvoltarea ştiinţei materialelor a determinat soarta şi progresul omenirii odată cu dezvoltarea primelor unelte, f ăcute din lemn şi piatr ă. Cele mai avansatemateriale ale timpului au conferit avantaje capitale care au departajat popoare

Page 23: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 23/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  10

şi civilizaţii. Lipsa unui material a stârnit nevoia spre migraţie sau de cucerirede noi teritorii.

Ep. polimerilor

(~50 ani)

Epoca

MATERIALELOR

Ep. de piatră 

(~35.000 ani) Ep. bronzului

(~1.800 ani)

Ep. fierului

(~3.300 ani)

Ep. Oţelului (~60 ani)

Ştiin şiţa

ingineria

materialelor

2000

5000 4000 3000 2000 1000 0 1000 1900 1960 2015 2100

 

Fig. 1.4. Ilustrare cronologică a istoriei materialelor 

Atunci când materialele biologice nu au mai întrunit criteriile de selecţie(ca dimensiune sau ca formă, stabilitate la temperatur ă, biodegradare sau  putrezire) omul a căutat să producă materiale noi spre a-şi îndeplini nece-sităţile. Astfel au apărut materialele ceramice care se întăresc prin ardere în focşi apoi metalele, cu utilizări dintre cele mai diverse, după descoperirea cărbu-nelui şi a tehnologiilor de prelucrare.

Se poate afirma că istoria omenirii a fost şi va fi dictată de tehnologiamaterialelor care permit la rândul lor avansarea în cunoaştere, în noi tehno-logii, dispozitive şi aparate, cu influenţă marcantă în tot ceea ce însemna viaţă   pe Tera. Prin noile tehnologii se “nasc” categorii de produse cu o valoareadăugată mare, aplicate în domenii de vârf: medicină, apărare, domeniul aero-spaţial, performanţă umană, sport etc.

Caracteristicile unui material exprimă acele manifestări calitative ale saleîn virtutea cărora el poate fi identificat şi i se pot găsi aplicaţii specifice.

Proiectarea, realizarea, utilizarea şi întreţinerea unui sistem funcţionaldepind în primul rând de caracteristicile materialelor din care este alcătuit.

Proprietăţile materialelor sunt expresia cantitativă a caracteristicilor aces-tora. Orice material poate fi caracterizat prin trei grupuri de atribute:

î.Hr. d.Hr.

Page 24: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 24/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   11

a. atribute compoziţionale − definite prin compoziţia chimică, cu implicaţii înstabilitatea în timp şi faţă de condiţiile de mediu ori de anturaj chimic;  b. atribute structurale − dictate de morfologia locală sau/şi de ansamblu amaterialului; reprezintă baza majorităţii caracteristicilor şi proprietăţilor unuimaterial;

c. atribute funcţionale − îşi au originea în primele două, adăugând acele parti-cularităţi care confer ă materialului proprietăţile de întrebuinţare, permit inter-faţarea cu alte materiale şi preluarea unor funcţii în sistemele funcţionale.

Inovaţiile în chimia polimerilor au lansat o er ă nouă, în rapidă  şi plină schimbare a tehnologiei materialelor.

Materialele compozite, printre care sticla, fibra de carbon şi structurile deKevlar (vezi cap.15) încorporate în matrici polimere, sunt astăzi r ăspândite pescar ă largă cu aplicaţii dintre cele mai variate.

Progresele recente ale ştiinţei materialelor, ale biologiei moleculare şi ale posibilităţilor de caracterizare la scar ă nanometrică, au asigurat baza ştiinţifică  pentru ingineria structurilor macromoleculare privind nu doar aspecte compo-

ziţionale dar  şi elaborarea de materiale structural ierarhizate, cu proprietăţisupramoleculare specifice.Intr ă în scenă  chimia  supramolecular ă , dezvoltată în special de D.J.Cram,

C.J.Pedersen şi J.M.Lehn şi caracterizată lapidar drept chimia ansamblurilor mole-culare şi a legăturilor intermoleculare.

Chimia supramolecular ă vizează transformarea chimiei într-o  ştiin ţă  a

materiei informatizate.Similar informaţiei biologice codificată în ADN, informaţia chimică este

molecular ă  şi este codificată în componentele moleculei, în atomi. Această informaţie dictează mecanisme precise la nivel supramolecular folosind căisimilare lumii vii: recunoa şterea, auto− organizarea molecular ă  , auto− asam-

blarea molecular ă  , auto− 

replicarea.Toate acestea conduc la construirea unor  piese  şi ma şini moleculare,

organizate în masur ă să recepteze şi să proceseze informaţii analog sisteme-melor naturale.

Cu respectul scării dimensionale nanometrice la care au loc aceste inter-acţiuni, chimia supramolecular ă este strâns legată de domeniul nanochimiei şial nanomaterialelor .

În anul 1999, Laureatul Nobel Richard Smalley afirma: „impactul nano-

tehnologiilor asupra să nă t ăţ ii, vie ţ ii, st ă rii materiale a omenirii va fi în secolul 21 cel pu ţ in echivalent cu influen ţ a polimerilor sintetici, a ingineriei compute-

Page 25: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 25/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  12

relor, a imagisticii medicale de rezonan ţă  magnetică   şi a microelec-tronicii,cumulate pe parcursul întregului secol 20!”

Secolul acesta marchează intrarea în Epoca materialelor cu aplicaţiile celemai de vârf ale acestora în medicină.. Se poate vorbi astăzi de ştiinţa şi ingine-ria materialelor de inspiraţie biologică.

1.5. MATERIALE ŞI STRUCTURI BIOMIMETICE

Biologia a polarizat continuu atenţia omului şi prin aceasta a influenţat şicondus constant dezvoltarea de noi materiale şi tehnologii. Copierea unor ideide la natur ă de către om s-a facut f ăr ă ca acestei laturi a cunoaşterii să i se fiatribuit caracterul de ştiinţă şi numele de biomimetică sau bionică.

Inginerii, designerii şi arhitecţii privesc adesea către natur ă pentru adescifra şi prelua din ideile testate de mii de ani în biosfer ă, sisteme uluitoarede o mare diversitate pe care oamenii de ştiinţă le privesc ca surse de inspi-

raţie pentru noi dispozitive şi sisteme biomedicale. Bioinspiraţia şi biomime-tica şi-au spus de aceea cuvântul în multe sectoare de activitate cum ar fi:transportul aerian, dinamica marină, designul şi structura sistemelor, comu-nicaţii, comportamentul de cooperare socială, proiectarea de noi materiale, bioacustică etc.

Leonardo Da Vinci s-a inspirat în desenele sale de la natur ă. Fiind un fincunoscător de anatomie, zoologie, botanică, geologie, optică, hidro− şi aerodi-namică, a putut stabili legături între modelele naturale şi mecanismele pe carele vedem astăzi, a găsit soluţii practice, în timp ce contemporanii săi căutau înBiblie r ăspunsuri la întrebările timpului.

Insectele constitue o stânjenitoare abundenţă de designuri, o sursă inepui-

zabilă de inspiraţie pentru noi materiale şi tehnologii incluzând aici: ochiiantireflexivi ai fluturilor cărora le permite să vadă în condiţii de lumină slabă;filmele nanostructurate antireflexive ale aripilor unor insecte; exoscheletulunor colioptere îşi schimbă culoarea de le verde la negru în funcţie de mediulînconjur ător, sugerând materiale inteligente care acţionează ca senzori deumiditate; culori structurale, ce nu se estompează  şi sunt mai str ălucitoaredecât orice pigment etc. 

Recent, la Universitatea Harvard a fost realizat un ţânţar robot, la scara de1:1. Insecta mecanică va fi utilizată în operatiuni de supraveghere sau căutareşi salvare, ca spion în mediile urbane şi pe câmpurile de luptă, putând detectasubstanţe str ăine mediului. Roboţii săritori sunt o soluţie biomimetică pentrudeplasarea pe teren accidentat. 

Page 26: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 26/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   13

Circulaţia microfluidelor este manipulată de către microorganisme prinmecanisme specifice datorate microcililor prezenţi pe suprafeţele lor externe.

Vezica înotătoare a peştilor corespunde tancului de balast al submarinelor,iar tehnica de înot specifică peştilor „ bony fish", din clasa Osteichthyes, a fostcopiată în realizarea de submarine agile, f ăr ă elice, propulsate de aripioare

mecanice.Liliecii emit sunete de frecvenţă înaltă  şi îşi ghidează zborul. Folosindacest model al liliecilor, cercetătorii au dezvoltat radarul şi sonarul. Aparatulde hidrolocaţie al delfinului este încă superior atât ca precizie cât şi ca putereaparatelor navelor de suprafaţă şi a submarinelor de astăzi.

Încă din secolul al IV-lea î.Hr., când Aristotel se minuna cum o şopârlă "poate să alerge în sus şi în jos pe un copac, stând oricum, chiar şi cu capul în  jos". Abilitatea de a adera extrem de eficient la diverse suprafeţe, precum şireversibilitatea repetativă a acestor for ţe de adeziune, în timp real, sunt propri-etăţi dorite, dar rar întâlnite, folosind materialele şi tehnologiile convenţionale.Aceste proprietăţi pot fi observate în natur ă la multe insecte şi şopârle care se

  pot susţine pe orice fel de suport, uscat sau umed, lucios sau rugos, luând poziţii care sfidează gravitaţia.

Fig.1.5. Ierarhia structurală a sistemului adeziv al şopârlei Tokay la scar ă:a.Macro; b.Meso; c.Micro; D.nano

O adevărată lecţie de inginerie a naturii, sistemul adeziv al şopârlei cons-tituit (Fig.1.5.) din aproximativ 2.1012 filamente/cm2, cu vârfuri spatulate, dis-

Nanostructuri

Page 27: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 27/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  14

 puse pe pernuţele degetelor, fiecare filament având o grosime de 100nm, nu seudă şi nu se murdăreşte şi mai mult, numai unul dintre picioare poate susţine ogreutate de până la 90 Kg, adică de circa 300 de ori greutatea totală a şopârlei.

Adezivitatea extremă se datoreşte structurii ierarhizate fibrilare, care func-ţionează ca un adeziv inteligent interacţionând la nivel molecular cu suportul

doar prin legaturi fizice de tip Van der Waals [13,14,15,16].Se constată că sitemele fibrilare adezive din natur ă au evoluat independentla specii diferite [17, 18].

Materialele adezive inspirate de picoarele insectelor pot „dota” roboţiicăţăr ători pe suprafeţe verticale de tipul Mini-WhegsTM (Fig.1.6.)

Fig.1.6. Microstructur ă biomimetică fibrilar ă adezivă în formă de ciupercă [19].

Se încearcă reproducerea sistemului adeziv al şopârlelor prin adaptareaunui sistem fibrilar sintetic, pentru ca benzi adezive să fie utilizate la înlocu-irea firelor de sutur ă în închiderea r ănilor, la adezivii bandajelor  şi ai siste-melor de eliberare transdermale, în corectarea herniilor, în laparoscopie etc. Se prevăd de asemenea şi aplicaţii tehnice de vârf în domenii ca cel aerospaţial şicel subacvatic (de exemplu: tălpile şi mănuşile costumelor aeronauţilor,adezivi pentru intervenţiile de urgenţă în submersie) etc. [20,21,23,24,25,26,

27,28,29].Un alt sistem adeziv de excelenţă este acela observat la multele specii descoici care se prind în mediu acvatic de orice suport, probând indiferenţă înfaţa uriaşelor for ţe marine care le lovesc în mod obişnuit. Moluştele producspecific anumite filamente (engl. byssus threads) care sunt comparabile cufibrele de Kevlar şi fibrele de carbon, de cinci ori mai tari şi de şaisprezece orimai elastice decât fibrele tendonului uman [30] (Fig.1.7.). Piciorul moluşteieste un dispozitiv ingenios care depistează suprafeţele cele mai propice, lecur ăţă  şi apoi, doar în câteva minute, ţese fire de prindere utilizând proteinestocate în glandele specializate din strutura sa anatomică. Proteina în cauză este singura care prezintă segmente colagenice şi segmente elastinice în

aceeaşi structur ă ter ţiar ă, îndeplinind atât rol de rezistenţă la tracţiune cât şi rol

Page 28: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 28/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   15

de absorbant de şocuri. Cercetătorii au descoperit că moluştele adsorb dinmediul acvatic, la fel ca şi hrana, fier pe care îl folosesc apoi ca agent dereticulare al proteinelor fibrilare, crescând rezistenţa la tracţiune a firelor deancorare. Este prima dată când se dovedeşte că fierul este esenţial în formareaunui biomaterial necristalin.

Prin determinări mecanice s-a constatat că fibrele se ancorează şi ader ă lafel de puternic la toate suprafeţele nef ăcând excepţie nici regele încoronat alalunecării şi antiaderenţei, Teflonul (politetrafluoretilena).

Fig. 1.7. Fire de ancorare ale scoicilor 

Aceste cunoştinţe conduc la noi materiale bionice şi biomateriale cuîntrebuinţări din cele mai spectaculoase. Nu ar fi un lucru extraordinar ca întimpul intervenţiilor chirurgicale, medicii să nu mai coase ci să lipească   biomimetic cu un adeziv puternic, netoxic, rezistent la apă şi cu bioresorbţiecontrolată, r ănile, inciziile sau fracturile etc. pacienţilor ? Acest aspect va fi cusiguranţă posibil în curând.

Mai mult, combinând caracteristicile importante ale celor doi adezivi,

gecko şi proteinele din firele byssus, noul material, cunoscut generic ca“geckel” probează caracterisitici puternice şi reversibile de lipire-dezlipire atâtîn mediu uscat cât şi în mediu umed [31], ţintind aplicaţii în medicină, ştiinţamaterialelor, în proiecte militare.

Biomimetica are mulţi paşi de f ăcut.Designul constituie cheia de boltă a funcţiei, cu înţelesul de cerere de

 produse folosite de om peste tot în lume. Se estimează că 70% din costurile derealizare, de producţie şi de utilizare a unui produs sunt dictate de designuliniţial al acestuia [32].

Page 29: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 29/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  16

În construcţii s-au utilizat unele învăţăminte de eficienţă cum ar fi:fagurele albinelor, mişcarea heliotropică a florii soarelui (pentru iluminareanaturală a locuinţelor pe tot timpul zilei), sistemele de ecluze ale castorilor.

În anii 1850−1851, inspirându-se de la structura plutitoare de susţinere alotusului amazonian (Victoria amazonica), arhitectul englez sir Joseph Paxton

a construit renumitul Palat de Cristal la Londra. O altă proprietate extrem deapreciată, observată la frunzele de lotus, numită şi „lotus effect”, este capaci-tatea de autocur ăţire, patentată de Wilhelm Barthlott în anul 1982 (Fig.1.8.).

Studiul pânzei în formă de clopot a păianjenului de apă Argyroneta (vezicap.15) a condus la proiectarea cupolei stadionului din Munchen de cătrearhitectul Otto Frei. Şi arhitectul Pier Luigi Nervi a imitat structura formelor vegetale atunci când a proiectat şi construit Palatul Expoziţiilor din Torino.

Fig. 1.8. Lac cu frunze de lotus amazonian victorian şi Palatul de Cristal

Fig.1.9. Capul femural şi structura biomimetică corespondentă 

Chiar dacă turnul Eiffel este considerat ca fiind o minune a ingineriei,trebuie ştiut faptul că imaginarea structurii acestuia a pornit de la anatomistulHermann von Mayer, cu 40 de ani înainte de construcţia propriu-zisă. În anul1866, Karl Cullman, vizitând la Zurich laboratoarele profesorului Hermannvon Mayer, a realizat că structura capului femural, care poate susţine o tonă în

Page 30: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 30/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   17

  plan vertical, nu este alcătuită dintr-un os monolitic ci din serii ordonate delamele (trabeculae) aranjate de-a lungul liniilor de for ţă (Fig. 1.9.).

Translând în arhitectur ă aceste observaţii, Karl Cullman a calculat structu-ra turnului Eiffel prin construirea de-a lungul unor linii de for ţă structuri non-centralizate.

În mod similar, copiind structura osului spongios, arhitecţii şi inginerii aurealizat construcţii îndr ăzneţe, rezistente şi flexibile, în situaţii extreme(Fig.1.10). Suprafeţele curbe realizate şi testate de către natur ă cum ar fi coajade ou, cochiliile melcilor şi scoicilor, prezintă rezistenţe mecanice importantedacă luăm în consideraţie grosimea şi mărimea suprafaţei pereţilor minerali-zaţi, exemple de biocompozite şi de structuralizări care au inspirat, de exem- plu, realizarea acoperişului teatrului de la Daka (Fig. 11.).

Fig.1.10. Osul spongios şi structuri biomimetice metalice în reţea

Filigranul construit de organismele marine din specia Radiolaria, cuschelet structurat în forme hexagonale, a devenit un adevărat concept înconstrucţiile uşoare, de mari dimensiuni din metal şi sticlă sau materialecompozite (de ex. pavilionul EXPO’76 din Monreal, Centrul Naţional de Arte

Dramatice din Bejing (Oul, 2008) etc.).

Fig.1.11. Structuri biomimetice în arhitectur ă şi în construcţii

Page 31: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 31/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  18

Pereţii şi acoperişul Centrului Naţional Acvatic, Cubul de apă, de laBeijing, ne aminteşte de structura clă bucilor de să pun, cu linii de contact ce seracordează conform tensiunilor superficiale, iar impunătorul Stadion Naţional,Cuibul de pasăre, este o lecţie de simplitate, for ţă şi de eleganţă (Fig.1.12.).

Fig. 1.12. Cubul de apă (în prim plan) şi Cuibul de pasăre, Beijing 2008

Muşuroaiele termitelor măsoar ă până la 7,5m înălţime, ceea ce ar echiva-la pentru oameni cu zgârie-nori înalţi de 9,6km. Unele muşuroaie rezistă aproape o sută de ani, materialul de construcţie fiind unic: pământ amestecat cusalivă. Aceste construcţii prezintă un sistem sofisticat de aer condiţionat,alcătuit din canale şi conducte prin care circulă aerul (Fig.1.13.).

Fig.1.13. Muşuroaie de termite. Ray Norris, via Wikimedia Commons, 2005

De aceea s-a studiat modalitatea de reglare a temperaturii, a umidităţii şi afluxului de aer în muşuroaie pentru a se proiecta clădiri durabile, confortabileşi cu cheltuieli minime de întreţinere. Astfel, s-a construit după criterii bio-

Page 32: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 32/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   19

mimetice Eastgate Centre din Harare, Zimbabwe, arhitect fiind Mick Pearce(proiect 1991-1996) (Fig.1.14.).

Fig.1.14. Eastgate Centre, Harare, Zimbabwe

Omul a învăţat de la păianjeni să construiască economic acoperişuri demare întindere, rezistente şi uşoare aşa cum sunt Stadionul olimpic şi gr ădinazoologică din Munchen, Germania, stadionul naţional de atletism din Sydney,aeroportul din Denver, Canada şi din Jeddah, Arabia Saudită (Fig.1.15). 

Fig.1.15. Pânze de păianjen şi acoperişuri biomimetice [33]

Mulţi biosenzori (de infraroşii etc) şi convertoare energetice (clorofila,luciferina) se dovedesc a fi încă mai performante decât aceia realizaţi de cătreom. În criza energetică în care pătrundem, bioluminiscenţa ar putea fi imitată şireprodusă controlat constituind o soluţie pentru iluminat. Se prevede, deasemenea, ca în viitor să funcţioneze pe glob fabrici de hidrogen fotolitic, caresă asigure o treime din necesarul de energie al planetei.  

Încă de acum 300 de ani, albinele, prin structura celulei fagurelui, aucontribuit indirect la corectarea tabelelor de logaritmi [33].

Page 33: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 33/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  20

În 1948, Georges de Mestral conştientizează potenţialul scaieţilor ca ometodă de îmbinare a două suprafeţe: una fină  şi alta cu cârlige, observaţiecare a condus la apariţia unei industrii extrem de prospere: Velcro (Fig.1.16).

Fig.1.16. Sistemul Velcro. Se evidenţiază sistemul cârlig şi sistemul adeziv

“Ciulinii din blana unui câine au dus la inventarea ariciului (Velcro).Acesta este un exemplu de biomimetică − tânara ştiinţă care adaptează desig-nuri ale naturii pentru a rezolva probleme moderne. Acum este posibil să înceapă să se maturizeze.” [34].

Fenomenul de autoasamblare a unor materiale biomoleculare cere dezvol-tarea unei noi discipline de studiu aflată la intersecţia dintre biologie molecu-lar ă, fizică  şi ştiinţa materialelor. Controlul autoasamblării moleculelor com- plexe în structuri ierarhice bine definite este o cale de fabricare a nanostructu-rilor. Aceste structuri la scar ă nanometrică pot fi realizate din biopolimeri  proteici cum ar fi virusul mozaic al tutunului, actină, tubulină, proteinecapsidice şi fibroase etc. [35,36].

Fiecare specie, chiar  şi acelea care au dispărut, reprezintă o poveste desucces, optimizată prin milioane de ani de selecţie naturală. Janine M.Benyusafirma că după 3,8 miliarde de ani de „cercetare şi dezvoltare”, eşecurile suntfosilele, iar ceea ce ne înconjoar ă este secretul supravieţuirii. „Natura ar trebui

 să devină mentorul lumii  şi singura cale de a învăţ a de la natur ă este aceea dea o pă  stra” [37].

Se caută încă r ăspunsuri la întrebări ca de exemplu: cum de păsările şi peştii sunt capabili să zboare şi să navigheze distanţe lungi ?; cum de păsările pot zbura folosindu-şi numai propria for ţă muscular ă ?; cum de viperele detec-tează căldura (razele infraroşii cu lungimea de undă de 0,1−0,15 mm) ? Acesteexemple evidenţiază abilităţi extraordinare de capacitate de adaptare la mediu.

Soluţiile şi ideile prezentate de natur ă în anii de evoluţie, ne fac să negândim la o inteligenţă infinită  şi divină, şi pare că această virtute a fost blocată la noi, în noi; ne-am bucurat de privilegiul de a interoga natura cuştiinţele noastre, dar totodată trebuie să înfruntăm cunoştinţele noastre cu ceea

Page 34: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 34/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   21

ce nu ştim [38].Firul mătăsii de păianjen este mai rezistent, la acelaşi diametru, decât cel

mai tare oţel modern. În 2700 î.Hr., chinezii, aplicând aşa numita biomimetică,au studiat mătasea de păianjen şi au încercat să îi replice structura pentru a o putea produce la scar ă manufacturier ă.

Democritos (400 î.Hr.): „copiind animalele învăţăm lucruri mai impor-tante, suntem învăţăcei ai păianjenilor, învăţând cum să  ţesem, învăţăm de larândunică să construim case, de la privighetoare arta cântecului...”.

Zborul pasărilor a fost încercat în anul 1400 î.Hr. de către arhitectulDedalus care a mimat structura aripilor păsărilor, folosind un cadru din lemn şicear ă. Deşi tentativa de a zbura peste labirintul din Knossos−Creta a fostnereuşită, acesta a deschis calea unor noi încercări. Icar a căzut, r ămânând înmitologie ca prima eroare a bionicii şi a biomimeticii.

Penele principale ale r ă  pitoarelor, în formă de degete, precum şi studiulseminţelor de ar ţar au condus la patentarea aparatelor de zbor cu geometrievariabilă, în crearea de aripi care îşi schimbă forma în timpul zborului, redu-

când rezistenţa la înaintare şi crescând eficienţa combustibilului consumat.Multe animale evită să fie descoperite, prin a se confunda cel puţincoloristic (culori de dezagregare) cu mediul în care tr ăiesc. Calamarul şi altemoluşte scuipă cerneală în apă pentru a se proteja. Regăsim aceste elemente  biomimetice în domeniul apăr ării, prin echipamentele de camuflaj a perso-nalului şi a tehnicii şi respectiv perdelele de fum pentru a masca şi protejatrupele în mişcare.

Asemănător pielii delfinilor, costumul înotătorului, care acoper ă în între-gime corpul, reduce frecarea cu apa, crescând astfel viteza de înot. Proprietăţisimilare confer ă şi pielea de rechin ce prezintă pe suprafaţă solzi nanome-trici,care împiedică algele şi crustaceele marine din subclasa Cirripedia să se fixeze

de acest suport. Această observaţie este utilă ca aplicaţie la tratarea carenelor vaselor.Blana ur şilor polari are proprietăţi asemănătoare fibrelor de sticlă, condu-

când lumina solar ă direct la pielea animalului, încălzindu-l.Găsind echivalentul tehnic al particularităţilor adaptative ale peştelui cuf ăr 

galben tehnicienii de la Mecedes−Benz au adoptat în anul 2005 conceptulcompaniei despre automobilul bionic (Fig.1.17.).

Îmbinarea dintre intuiţia biologică şi pragmatismul ingineresc este capitală   pentru succesul biomimeticii. Şi aici, partea care şchioapătă este ingineria pentru care încă viaţa reprezintă un fenomen complex f ăr ă limite, imposibil decreat şi de controlat în adevăratul sens al cuvântului.

Page 35: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 35/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  22

Fig. 1.17. Conceptul de atomobil bionic Mecedes-Benz 2005

1.6. APLICAŢII ALE BIOMIMETICII

Din cele prezentate în subcapitolul „Materiale şi structuri biomimetice”rezultă o mare diversitate ale aplicaţiilor biomimeticii, care în viitorul apropiatare un larg câmp de dezvoltare..

Un dispozitiv bionic antic a fost descoperit în 1858 la Capua−Italia, repre-

zentând un picior artificial f ăcut din lemn şi cupru ce se crede că datează dinanul 300 î.Hr.Se poate spune că din cele mai vechi timpuri suntem în era biomimeticii.

Tot ce au întreprins oamenii cu invenţiile lor a fost să copieze, să mimezenatura în procesul său evolutiv de 3,8 miliarde de ani. Nevoile omului auevoluat mereu din epoca de piatr ă, în epoca bronzului, epoca fierului... epocarevoluţiei industriale din secolul al IX-lea, din secolul XX al tehnicii şi până astăzi în epoca materialelor (vezi fig.1.4.), având loc mari progrese cu aplicaţiideosebite şi în domeniul biomedical.

În secolul XIX şi începutul secolului XX s-au adus îmbunăţiri ale aplica-ţiilor umane în bionică, precum a extremităţilor artificiale, a organelor, oche-larilor, dispozitivelor de auz, a dispozitivelor sau artefactelor dentare, a oaselor şi a altor obiecte de înlocuit păr ţi din organism. Richard P.Feynmann, distinscu premiul Nobel pentru fizică, a expus pentru prima dată principii alenanotehnologiei în anul 1959.

Medicina bionică se refer ă la înlocuirea sau îmbunătăţirea unor organe sau păr ţi ale organismului cu versiuni mecanice. Implanturile bionice difer ă de proteze prin aceea că mimează foarte mult funcţia organică, uneori chiar depă-şind-o.

În prezent, mişcarea biomimetică devine tot mai puternică la nivel global.Bionica s-a dezvoltat în ţări ca Germania, unde se predau cursuri în diverse

forme de învăţământ, Japonia, cu preocupări intense în biorobotică, StateleUnite şi Marea Britanie, unde multe societăţi comerciale finanţează astfel

Page 36: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 36/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   23

de cercetări. De asemenea, în America Latina şi în Spania există asemenea preocupări. În Mexic se elaborează produse bionice.

Producerea de implanturi bionice se află într-o fază incipientă. Din comer ţ se pot achiziţiona câteva dispozitive bionice, dintre care cel mai cunoscut esteimplantul cohlear, dispozitiv destinat persoanelor care sufer ă de surzenie. În

anul 2004 au fost realizate inimi artificiale.Mimarea structurilor biologice şi a controlului proceselor de sinteză şi deautoasamblare prezintă un înalt potenţial ştiinţific. Ingineria bionică, este oştiinţă pluridisciplinar ă, având scopul de a proiecta şi produce proteze activatede nervi, roboţi controlaţi de biosemnale sau chiar modele artificiale ale unor   procese ce există doar în natur ă (de exemplu, vederea artificială sau inteli-genţa artificială numită cibernetică).

Domeniul fascinant al nanobiotehnologiei care are la bază imaginarea denoi materiale sintetice la scar ă nanometrică, respectând arhitectura molecule-lor relevante din punct de vedere biologic, va conduce în final la integrareamaterialelor artificiale in vivo în cele naturale.

În anul 1991, profesorul japonez Iijima a obţinut structuri grafitice tubula-re goale cu pereţi cilindrici, închise, cu capete semisferice de tip fulerenic,numite nanotuburi (Φnm x  L102nm), deschizând orizontul nanochimiei, ananotehnologiilor şi a nanomaterialelor.

Tehnicile actuale de fabricare a nanoroboţilor, în continuă dezvoltare şi perfecţionare, pun premizele unui viitor apropiat, când aceste dispozitive caentităţi funcţionale, vor avea o multitudine de aplicaţii biomedicale. Ele vor   permite medicilor să intervină precis la nivel celular  şi molecular. Multedispozitive, micro şi nanoroboţi, aşteaptă pe masa proiectanţilor noi tehnologii performante care să le permită a fi produse.

 Nanoroboţii au fost propuşi pentru utilizare în diagnoză, cercetareafarmaceutică, geriatrie, suplimentarea sistemului imunitar, împiedicarea meca-nică a arteriosclerozei, modificarea ADN-lui in vivo etc. Un exemplu cunoscuteste respirocitul, un nanorobot proiectat de Robert Freitas Jr., cu func ţie decelulă roşie artificială (fig.1.18.) [3].

Respirocitele sau globulele roşii mecanice artificiale sunt nanoroboţi acăror aplicaţii primare includ: substituirea sângelui, tratamentul anemiei, adereglărilor peri- şi neonatale, a bolilor de plămâni, diagnoza şi terapia tumo-rilor, susţinerea respiraţiei artificiale în condiţii limită, prezervarea de organeetc. Respirocitele intr ă în compoziţia substituenţilor de sânge transfuzabiliuniversali, liberi de agenţi patogeni, cu timpi de stocare nelimitaţi şi disponi-  bili în orice cantitate. Globulele roşii mecanice sunt acceptate şi de către pacienţii care, din convingeri religiosae, refuză transfuziile de sânge alogen.

Page 37: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 37/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  24

Fig.1.18. Imaginea a trei respirocite la care se pot evidenţiasuprafeţele exterioare ale senzorilor şi ale trioarelor moleculare.

Oxigenarea suplimentar ă indusă de respirocite ofer ă posibilitatea tratăriicomplete sau par ţiale a tuturor formelor de anemie, incluzând anemiile acute

cauzate de pierderile masive de sânge din traumatismele grave sau interven-ţiile chirurgicale; anemiile secundare provocate de ulcerele duodenale şi gas-trice, sângerarea menstruală excesivă, hemoroizi; anemiile ereditare, ca deexemplu, hemofilie, leptocitoză, siclemie, telasemie, deficienţe anemice endo-crine; anemii cauzate de diverse boli incluzând: tuberculoza, sifilisul, febratifoidă, reumatismul, blocajul renal cronic, cancerul; anemii hemolitice: hemo-liza chimică (malarie, muşcături de şarpe etc.), hemoglobinuria paroxismală şianemii cronice hemolitice prin hipersplenism cauzat de ciroza ficatului,leucemie); anemii aplastice cauzate de intoxicaţii sau otr ăviri, iradiere sau dealţi agenţi antimetabolici etc.

Perfuzia de respirocite este utilă în menţinerea oxigenării ţesuturilor pe

timpul anesteziei, angioplastiei coronariene, a transplantului de organe şi asepar ării feţilor siamezi, în intervenţii chirurgicale pe cord deschis sau pecreier, în recuperarea postoperatorie cardiacă sau de bypass cardiopulmonar.

Administratrea unei doze terapeutice de respirocite, în scopul de a absorbiin vivo N2 în locul O2/CO2, poate oferi scafandrilor posibilitatea unei decom-  presii rapide (1sec.) şi sigure pentru o adâncime de lucru de până la 26m.Fiecare doză suplimentar ă asigur ă decompresia pentru câte încă 16m adânci-me, iar timpul necesar decompresiei se prelungeşte sensibil [39].

Observându-se eficienţa sistemului imun al crocodililor, astăzi există intense preocupări de a descoperi diferenţele faţă de sistemul imun umandeficitar în faţa unor agenţi rezistenţi şi la antibiotice.

Page 38: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 38/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   25

În Japonia cercetările medicale reduc durerea unei injecţii folosind acehipodermice care au margini fin zimţate, precum cele de pe trompa ţânţarului, pentru a minimiza stimularea nervilor.

Hermann von Meyer a studiat capul femural evidenţiind faptul că există centre f ăr ă încărcătur ă care suportă întreaga greutate a corpului. Oricare res-

tricţie corporală este redusă de posibilităţile mecanice. Şcoala lui Randall Berr,numită neuroetologie computerizată, este inclusă în domeniul legilor mişcării biologice şi al relaţiilor între biomecanică  şi mişcările executate de roboţiiautomaţi.

Astăzi, premiul Feynmann, în valoare de 250.000$ SUA, este oferit ace-luia care va realiza în premier ă un braţ nanometric robotizat.

 Neurobiologul M. Nicolelis a reuşit, în anul 2000, ca o maimuţă care aveaimplantaţi în creier electrozi să îşi mişte un braţ robotic prin intermediul  propriilor biosemnale. Experimente mai recente demonstrează că această tehnică poate fi aplicată  şi pe subiecţi umani. Strict vorbind, în domeniulsănătăţii, se fac progrese uriaşe în cadrul unităţii profesionale interdisciplinare

a ingineriei şi a tehnicilor avansate, a biotehnologiei şi a bioelectronicii.Realizarea funcţiei adaptative conjugă  ştiinţa şi tehnologia mişcărilor pecare le pot executa animalele primare şi complexe, pentru a pune în armonierestricţiile anatomice ale unui organism în mişcare automată. Mişcările se află într-o relaţie cu ieşirile cerebrale, mai ales în cazul mâinilor care scriu semne şidesenează, relaţie care deja depăşeşte limitele biomimeticii propriu-zise.

K. Boahen a dezvoltat o retină din silicon care a fost capabilă să proce-seze imagini similar aceleia umane. Prima lentilă multifocală intraocular ă afost implantată în 1986 [40]. În anul 2006, W.F. Curtis a patentat un noumaterial biomimetic, un hidrogel pentru cornee artificială, numit DuoptixTM,alcătuit din două reţele polimerice tridimensionale interconectate: polietilen-glicol şi acid poliacrilic. In vivo celulele invadează reţeaua producând o reţeade fibre colagenice care întrepătrund reţeaua sintetică, rezultând joncţiuneadintre implant şi ţesut.

Hidrogelurile sintetice sunt în mediul biologic materiale inerte şi pot fimodificate chimic prin grefarea de peptide în scopul modificării proprietăţiicelulelor de a adera la interfeţele biomaterial/ţesut şi de a interacţiona cu acesta[41,42]. La hidrogelurile biomimetice disponibilitatea liganzilor legaţi covalentde celule este dependentă de lungimea catenei moleculei spacer [43]. S-auobţinut hidrogeluri biomimetice pentru lentile de contact care joacă  şi rol derezervor de medicament cu eliberare controlată [44,45].

Biopolimerii, cum ar fi colagenul,elastina, fibroina, draglina, fibronectina,

Page 39: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 39/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  26

fibrina, amidonul, celuloza bacteriană, dextranii, mananii, alginaţii, pectinele,chitina, chitosanul, glicozaminoglicanii etc., şi-au găsit o multitudine deaplicaţii biomimetice în domeniul medical (inginerie tisular ă, implantologie,medicină regenerativă, fire de sutur ă, bureţi, filme, biomateriale poroase,substituenţi plasmatici, purtători de medicament cu eliberare controlată  şi

 preparate de uz farmaceutic, oftalmologie etc.) fiind dată similitudinea lor cumatricile extracelulare şi ceilalţi biopolimeri din organismul uman [46,47,48,49,50,51,52,53,54,55,56,57,58].

  Ingineria tisular ă  încercând să elimine complicaţiile asociate transplan-turilor clasice, utilizează substituenţi tisulari care pot susţine funcţia ţesutuluilezat în timpul regener ării şi care se doresc a se integra în ţesutul nativ. Subs-tituenţii tisulari alcătuiţi din biomateriale şi sisteme interactive sau viabile,implanturile multifuncţionale ce vor înlocui temporar sau definitiv organe,inclusiv organe vitale, posibilitatea substituirii unor funcţii de control motor sau analiza senzorială la nivelul sistemului nervos prin utilizarea unor CIP-uri,

reprezintă în totalitate modele biomimetice aplicate în medicină.Ingineria tisular ă se confruntă încă cu multe dificultăţi dintre care:− modularea aderenţei, prolifer ării şi a diferenţierii controlate a celulelor pesuport, şi în special a celulelor stem;− eliberarea controlată susţinută a substituentului tisular de factori specifici saude plasmid ADN (ca de exemplu, factorii de creştere stimulatori ai angio-genezei etc.);− dezvoltarea de biomateriale biomimetice inteligente, cu o bună compa-tibilitate superficială şi structurală şi cu o activitate biologică specifică, pentrustimularea predictibilă, controlabilă  şi obţinerea r ăspunsului biologic vizat încondiţiile date.

  Numai viziunea cuprinzătoare asupra celulelor, factorilor inductori, agenelor, a suporturilor, a biomaterialelor  şi a relaţiilor dintre acestea la nivelmolecular, poate conduce la succesul proceselor reparatorii şi la obţinerea unor substituenţi tisulari performanţi.

  Ingineria tisular ă  molecular ă , urmaşă a ingineriei tisulare şi a biologieimoleculare, a f ăcut progrese uimitoare în ultimii ani.

Ingineria tisular ă, în tandem cu medicina regenerativă, sunt atent vegheatede ingineria biomimetică .

Este adesea uşor de recunoscut excelenţa unei soluţii biologice, dar poatefi extrem de dificil de înţeles mecanismele care îi stau la bază. Biomimetica atrecut etapele primare, de reproducere a unor structuri macroscopice naturale

Page 40: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 40/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   27

nedepăşind barierele microdimensionalului. Cu metodele noi de investigare şianaliză, când vor fi elucidate căile celulare de biosinteză, dar mai ales deconstrucţie, diferenţele dintre biomaterialele de sinteză şi cele naturale se vor estompa (Fig.1.19.). Biomimetica va acţiona atunci la nivel molecular  şiîntreaga gamă de activitate se va schimba.

Fig.1.19. Materiale biomimetice avansateJ.Vincent arată că: „Biomimetica infloreşte în prezent datorită faptului că 

omului îi stau la dispoziţie noi tehnici performante de investigare şi de mani- pulare a materialelor şi a substanţelor chimice la nivel molecular”.

Începem să înţelegem materialele la acest nivel în scopul dezvoltăriicapacităţii tehnologice de reproducere a metodelor de sinteză, dar mai ales decontrol, ale lumii vii asupra structurilor 3D şi a ierarhizării acestora.

Implantologia se află la o r ăscruce provocată de evoluţia conceptuală aimplanturilor, trecându-se de la implantul clasic, spre implatul bioartificial sau

 biomimetic, care ofer ă noi avantaje post operatorii prin scurtarea timpului devindecare în cazul, de exemplu, al osului, al cartilajului, al pielii, al vaselor desânge, al valvelor cardiace etc. După principii biomimetice, includerea însistemele implantabile mai multă structur ă biologică, adică de viaţă, conduce lao asemănare mai pronunţată a implantului cu ţesutul nativ, până la nivelul lacare implantul biomimetic participă la procesul normal de remodelare tisular ă.

Există două metode uzuale de obţinere a grefelor similare celor autologe:− modele directe pentru refacerea in vivo, a culturilor minimale pe suport biodegradabil, prin prelevarea unor celule normale de la pacient, apoi depune-rea lor pe un suport care, implantat imediat, stimulează refacerea ţesutuluilezat;

Page 41: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 41/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  28

− implanturi viabile şi grefe tisulare, culturi celulare pe termen lung care mi-mează  ţesutul nativ prin prelevarea unor celule normale de la pacient şiînsămânţarea acestora pe suporturi biodegradabile 3D, care conduce la gene-rarea in vitro a unor matrici native prin activitatea normală a celulelor, caţesuturi perfect funcţionale.

Ţesuturile native prezintă in vivo structuri tridimensionale (3D) bineorganizate şi extrem de heterogene. Acestea sunt alcătuite din straturi multiplesuprapuse, membrane, structuri tubulare şi canale. Fiecare dintre funcţiileţesutului necesită existenţa unor componente specifice, celule şi materiale, lascar ă micro-nanometrică. Matricea extracelular ă constituie suportul naturalcare menţine arhitectura tridimensională a ţesutului, controlează proliferareacelular ă, motilitatea şi migrarea celular ă.

Obţinerea de suporturi în 3D din biopolimeri cu o arhitectur ă biomime-tică, probând proprietăţi cum ar fi: controlul diferenţierii celulare, migrareacelular ă, producerea matricei celulare şi organizarea tisular ă, constituie

garanţia regener ării, reconstruirii ţesutului lezat sau bolnav şi a refacerii func-ţiei sale native [59,60].Suporturile tridimensionale, poroase, pentru culturi celulare concepute

  biomimetic, sunt alcătuite din biopolimeri naturali sau modificaţi chimic,singuri sau în amestec cu alţi biopolimeri (colagen, fibrină, draglină, glicoz-aminoglicani, celuloză bacteriană, chitină, chitosan, elastină etc.) [61,62,63,64,65,66,67,68,69,70,71,72,73,74] sau polimeri de sinteză (acizii polilactic şi  poliglicolic sau copolimeri ai acestora, poliuretani, policaprolactone, politri-metilencarbonaţi etc.) [75,76,77,78,79,80,81,82,83,84,85,86,87].

Strategiile de obţinere a suporturilor artificiale tisulare se bazează peabordarea biomimetică a creşterii celulare şi a probării activităţilor lor speci-

fice. Se accentuează importanţa abordării biomimetice a sistemelor implan-tabile (Fig. 1.20.) [88].Ţinând cont de diversitatea ţesuturilor  şi a funcţiilor pe care acestea le

îndeplinesc, în conceperea biomimetică a suporturilor 3D se porneşte de la celedouă modele limită: suporturi 3D bogate în celule şi suporturi 3D bogate înreţeaua matricei, rezultând tipuri intermediare care in vivo au tendinţecompensatorii, migrând, din punct de vedere al constituţiei şi al proprietăţilor,de la un tip extrem la celălat.

Ingineria tisular ă se dezvoltă extrem de rapid, pe bază de tehnici pentrurealizarea unei mari varietăţi de ţesuturi atât in vitro cât şi in vivo, folosindsuporturi, matrici de biopolimeri sau/şi polimeri−  biopolimeri, pentru creştere

tisular ă, în scopul înlocuirii ţesuturilor distruse, afectate sau dispărute, cu

Page 42: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 42/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   29

substituenţi biologici compatibili (substituenţi sanguini, substituenţi osoşi,substituenţi de piele, substituenţi vasculari, substituenţi de ligamente şi ten-doane, substituenţi de cartilaj etc.) şi de a restabili funcţia prin aportul deelemente vii ce devin integrate la nivelul pacientului.

Fig.1.20. Schema teoretică a refacerii funcţiei în timp la implanturi protetice

clasice comparativ cu sisteme implantabile ale ingineriei tisulareCrearea şi perfecţionarea de noi materiale biomimetice şi de tehnici pentru

realizarea suporturilor 3D purtătoare de celule, constituie o strategie complexă care promite îmbunătăţirea adeziunii, diferenţierea şi creşterea celular ă.

Materialele compozite prezintă o deosebită importanţă în aplicaţiile medi-cale, prezentând versatilitate şi mimând cel mai bine ţesuturile vizate a fisubstituite. Compozitele biomimetice şi biocompozitele sunt utilizate frecvent pentru acoperirea implanturilor, în reconstrucţia osoasă şi în aplicaţiile dentare,maxilo-faciale, în chirurgia spinală, în protezarea articular ă etc. Cimenturileosoase sunt larg utilizate în ortopedie pentru ancorarea implanturilor de os, în

reconstrucţia osoasă şi pentru eliberarea controlată de principii active [89].  Nanocompozitele sunt amestecuri de constituenţi la scar ă nanometrică,care se aseamănă cel mai mult cu biocompozitele, probând adesea calităţisuperioare microcompozitelor  şi pot fi sintetizate, în mod surprinzător, printehnici şi condiţii simple şi ieftine ca şi modificarea sau adaptarea chimică aunor interfeţe implant–mediu biologic [90,91,92,93,94,95,96,97,98,99,100,101,102,103,104,105].

Se remarcă în momentul de faţă două tendinţe, diametral opuse, în conce- perea şi realizarea biomimetică a suporturilor tisulare 3D: a. pornind de la  biologie apare reducerea progresivă a complexităţii ţesuturilor native vii (deexemplu, decelularizare tisular ă); b. pornind de la artificial, este evidentă creş-terea complexităţii elementelor constitutive (de exemplu, agregate proteice,

Page 43: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 43/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  30

 bureţi, meşe, acoperiri biopolimerice ale interfeţelor implant-ţesut, compozitecu porozitate controlată, etc. [106]).

Iată un concept cu un uriaş potenţial tehnologic cu aplicaţii în domenii biomedicale (de exemplu, sisteme de eliberare controlată a principiilor active, biosenzori, ţesuturi şi organe artificiale şi bioartificiale).

Prezenta lucrare tratează pe larg despre proteinele fibroase (vezi Volumulal-II-lea) şi aplicaţiile tehnice şi medicale ale acestora, de aceea şi în acestsubcapitol, biopolimerilor în general şi proteinelor, în particular, li se acordă un loc special, privind aplicaţiile biomimetice în implantologie, suporturi pentru ingineria tisular ă, sisteme de eliberare controlată a principiilor active şiimplicaţiile în diverse biomateriale şi proprietăţi la interfaţa biomaterial/implant.

Osul este un biocompozit înalt ierarhizat format din 65% minerale, 25%compuşi organici, colagen de tip I şi V (>95% respectiv <5%) şi 10% apă. Se

disting fibrile mineralizate şi nemineralizate de colagen care prezintă diverseorganizări în structura biocompozită. Componenta celular ă este reprezentată detrei tipuri distincte de celule: osteoblastele (producţie), osteoclastele (resorbţie)şi osteocitele (întreţinere). Osul are capacitatea specială de a se vindeca şi a seremodela f ăr ă a forma cicatrici. Colagenul care constitue matricea fibroasă estemineralizat cu hidroxiapatită, Ca10(PO4)6(OH)2, care este suficient de inso-lubilă pentru a fi stabilă în ţesut şi în acelaşi timp reactivă pentru a fi continuuabsorbită şi reformată [5].

Riscul potenţial de transmitere a hepatitei virale sau SIDA de la alogrefeau condus la luarea în considerare a diferiţilor substituenţi ai osului. Multestudii şi produse existente pe piaţă privesc substituenţii osoşi alcătuiţi după   principii biomimetice din biomateriale naturale, biomateriale naturalemodificate chimic, biomateriale sintetice sau/şi amestecuri compozite.

Biomineralele probează forme şi compoziţii neîntâlnite în calcitele şiaragonitele nebiogene. Astfel coralii, cochiliile moluştelor şi coaja de ou sunt biocompozite, biomineralizate după modele distincte, compuse din carbonat decalciu asociat unei matrici organice.

Compozitele biomimetice destinate reconstrucţiei osoase trebuie să asigu-re, din punct de vedere mecanic, suport pe timpul refacerii ţesutului nativ,mimând rolul matricei extracelulare şi să conţină şi componenta celular ă atâtde necesar ă reconstrucţiei.

Coralul natural este un potenţial substituient util pentru grefarea osului,fiind compus din 97% carbonat de calciu, în formă de aragonit, iar structural,

Page 44: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 44/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   31

este asemănător cu osul spongios. Coralul este un biocompozit total biocom- patibil, f ăr ă risc de transmitere a bolilor infecţiose şi structura sa geometrică unică contribuie la resorbţia rapidă a implantului. Printr-o prelucrare adecvată se poate transforma superficial carbonatul de calciu în fosfat tricalcic, cumenţinerea formei cristaline tridimensionale.

Din consideraţii biomimetice, se utilizează  şi matricea osoasă deminera-lizată, care este un schelet colagenic tridimensional ce se poate obţine prindemineralizarea oaselor de bovine [107,108,109,110,111,112,113,114,115,116,117,118]. După liofilizare şi sterilizare aceasta poate fi utilizată îninducerea osteogenezei. Are efect chemotactic asupra celulelor suşă mezen-chimale, a fibroblaştilor  şi a trombocitelor care ader ă la reţeaua colagenică,determinând formarea de complexe proteice cu citokine (fibronectină,osteocalcin), factori de creştere care induc diferenţierea condroblaştilor încondrocite şi secreţia matricei cartilaginoase care apoi, prin vascularizare,diferenţierea osteoblaştilor  şi calcificare, rezultă formarea osului în lungulfibrelor de colagen.

Se cunoaşte faptul că la suporturile 3D compoziţia, proprietăţile fizico-mecanice, mărimea şi forma porilor, porozitatea, suprafaţa lor specifică, rigi-ditatea şi biodegradabilitatea influenţează semnificativ funcţiile celulelor.

De aceea, pentru a mima ţesutul osos natural, diverselor matrici biopoli-merice li s-au adăugat compuşi cristalini similari hidroxiapatitei biologice,rezultând compozite bio−organice mineralizate. S-a evidenţiat faptul că hidroxiapatita, la scar ă nanometrică, se leagă iniţial pe striaţiile de perioadă alecolagenului nativ (64nm), cristalele cresc apoi de-a lungul suprafeţelor fibrilelor  şi pot fi evidenţiate analitic. Colagenul mineralizat intra- şi extra-fibrilar, prin procesul de nucleacţie a nanocristalelor de hidroxiapatită, secomportă ca un material compozit inteligent şi se poate obţine prin autoasam-

 blare la temperatur ă ambientală (Fig.1.21.).Ceea ce nu este încă elucidat este modalitatea naturală de control al formeişi al orientării cristalelor în procesul de biomineralizare. În aceste procese,macromolecule ca proteinele, glicoproteinele şi polizaharidele sunt folosite pentru a controla nucleaţia şi creşterea fazelor minerale.

Literatura de specialitate evidenţiază  şi testări ale unor materiale compo-zite biomimetice pentru regenerare osoasă a căror matrici biopolimerice suntconstituite din colagen de tip I şi glicozaminoglicani, chitină, gelatină, hidro-gel de celuloză bacteriană, polietilentereftalat, poliamide, biomateriale cerami-ce, precum şi teste de cristalizare biomimetică a fosfaţilor de calciu în modeleorganice Langmuir Blodgett [119,120,121,122,123,124,125,126,127,128,129,130, 131].

Page 45: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 45/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  32

Fig.1.21. Structuri ceramice pentru substituţie osoasă [132]

Acidul hialuronic apare, de asemenea, ca un material formator de matrici3D suport pentru osteoblaste la substituţia osoasă, alături de colagen şi con-droitin suflat. Biocompozitele absorbabile, care mimează in vivo structuraosului uman, sunt utilizate pentru regenerarea fracturilor osoase, a fuziunilor spinale şi în pierderile osoase cauzate de traumatisme, boli sau intervenţiichirurgicale. Nu este necesar ca grefa să înlocuiască osul lipsă ci să încurajeze

osteointegrarea, acţionând spre regenerarea şi creşterea osoasă ghidată, aju-tând organismul să repare materia osoasă pierdută.

Prin investigarea şi copierea mecanismeleor de control a repar ării osului înmediul biologic local vizat, specialiştii dezvoltă materiale osteoinductive carestimulează regenerarea osoasă, contribuind la îmbunătăţirea calităţii vieţii prinnoi terapii ce au la bază biomateriale biomimetice viabile. Se punea între-bareadacă omul va fi capabil să cultive în bioreactoare propriul ţesut osos în scopulobţinerii de grefe autologe în cantităţi nelimitate. Prin interdiscipli-naritate,astăzi, bionica, genomica, proteomica şi nanotehnologille fac posibil r ăspunsul  pozitiv la această întrebare. Şi chirurgia îşi propune căi minimum invaziveapelând la metodologii bazate pe terapie genetică, pe sisteme cu eliberarea

ţintită, care să determine local intensificarea osteogenezei in vivo, când pacientul însuşi acţionează ca un bioreactor.

Succesul unui implant dentar depinde de ancorarea puternică a acestuia înţesutul osos spre a rezista ciclurilor continui de încărcare-descărcare din timpulmasticaţiei. R ăspunsul pozitiv al celulelor, creşterea osului pe suprafaţaimplantului şi consolidarea lui în ţesut depinde de tehnica de implantare, detopografia şi de biochimia suprafeţelor. S-a constatat că, de exemplu, osteo-  blastele prefer ă suprafeţele rugoase, în timp ce fibroblastele se dezvoltă mai bine pe suprafeţele netede [133].

În cazul multor biomateriale ceramice, metalice şi polimerice de sinteză interfaţa cu ţesutul gazdă trebuie „intermediată” biomimetic [134,135].

Page 46: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 46/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   33

O manier ă de modificare a suprafeţelor pentru susţinerea adeziunii celulareeste imobilizarea unor peptide prezente în matricea extracelular ă. Cea maiinvestigată secvenţă peptidică, derivată din fibronectină, este arginină-glicină-acid aspartic, fiind recunoscută de majoritatea integrinelor [136].

Suprafeţele metalice trebuie modificate la scar ă nanometrică pentru a

accentua adeziunea şi proliferarea celular ă. Titanul şi aliajele sale sunt bioma-teriale utilizate datorită rezistenţei şi elasticităţii mecanice, a iner ţiei chimice invivo şi a biocompatibilităţii, deşi nu se pot lega direct de os. S-au f ăcut studii  pentru modificarea substraturilor de titan pentru osteocompatibilizare prindepunerea biomimetică de hidroxiapatită în condiţii ambientale, în mediu deser fiziologic sintetic [137,138,139,140,141,142,143,144].

Ţesuturile conjunctive, din punct de vedere morfologic, se caracterizează   prin varietatea elementelor constitutive care sunt reprezentate prin celuleconjunctive, fibre colagenice, fibre elastice, fibre de reticulină, substanţă inter-fibrilar ă, vase sanguine, nervi etc. Substanţa interfibrilar ă este gelatinoasă  şi

elastică în dermă şi hipodermă, dur ă şi elastică în cartilaje şi tendoane sau dur ă şi pietroasă în ţesutul osos.Medicina regenerativă are în vedere repararea ţesuturilor conjunctive după 

 principii biomimetice, utilizând reţele de biopolimeri (de exemplu, elastină şicolagen de tip I) şi celule de exemplu, condrocite sau celule stem etc.

Dezvoltarea spectaculoasă a chirurgiei plastice, necesitatea tratării arsuri-lor, au impulsionat studiile privind aspectul suprafeţei pielii şi regenerareaacesteia cu materiale şi prin metode biomimetice.

Pielea este un biocompozit cu o structur ă complexă, alcătuită din trei păr ţifundamentale, deosebite prin gradul de dezvoltare, structur ă histologică,compoziţie şi scopuri fiziologice: epidermul, dermul şi hipodermul. Pieleaumană reprezintă cam a douăsprezecea parte din greutatea corpului, iar ariasuprafeţei sale aparente, la omul adult, excepând cutele majore, este de 1,2– 2,0m2. Dermul reprezintă circa 80% din grosimea totală a pielii şi este limitată de epiderm la partea superioar ă, fiind despăr ţită de aceasta prin mem-brana bazală, numită membrana vitroasă sau hialină, iar la partea inferioar ă estelimitată de hipoderm.

Funcţiile pielii (protecţie termică, la frecare, presiune şi substanţe nocive,germeni, împotriva pierderilor de apă  şi substanţă biologică, absorbţia subs-tanţelor biologic active, regulator termic, organ secretor  şi excretor, senzor complex tactil, de presiune, vibraţii, temperatur ă şi durere) îi determină struc-tura anatomică, care este pronunţat variabilă în diferitele sale regiuni

Page 47: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 47/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  34

topografice şi mai ales dependentă de specia animală, de condiţiile de viaţă şide mediu.

Vindecarea tegumentului distrus poate urma următoarele trei soluţii: rege-nerarea (restabilirea stării iniţiale); repararea (formarea de cicatrici); vindeca-rea par ţială (cronicizarea r ănii). De exemplu, în cazul arsurilor termo-chimice

de gradul trei, r ănile nu r ăspund efectiv la tratamentele clasice, tind spre a secroniciza fiind absolut necesar ă înlocuirea ţesutului lezat.În acelaşi timp, grefele autologe şi alogrefele nu sunt adesea disponibile în

cantitatea necesar ă f ăcându-se apel la produsele viablile ale ingineriei tisulare,culturi celulare pe suporturi 3D (biocompatibile, bioresorbabile, biostabilegeometric, sterilizabile) biomimetice structural (de exemplu, biotextile tricota-te, ţesute sau neţesute) şi chiar compoziţional (colagen de tip I care prezintă secvenţe de arginină-glicină-acid aspartic cu afinitate pentru fibroblaste,elastină, factori de creştere ) (Tabelul 1.1., Fig. 1.22.).

Tabelul 1.1

R ăspunsuri celulare mediate de factori de creştereFCE FCF FCT FCEV FTCB FCTC

Activitatea fibroblastelor + + + + +Proliferarea cheratinocitelor + + − Angiogeneză + + + + − sau +Formarea matricei extracelulare + + + +Chemotaxis + + + +Morfogeneză + + +

Unde:FCE – factor de creştere al epidermei;

FCF – factor de creştere al fibroblastelor;FCT – factor de creştere al trombocitelor;FCEV – factor de creştere endotelial vascular;FTCB – factor transformator de creştere β;FCTC – factor de creştere a ţesutului conjunctiv

Alături de colagen, biotextilele destinate ingineriei tisulare pot conţinefibre de fibroină, alginaţi, chitosan, acizii polilactic şi poliglicolic şi copoli-merii acestora, acid polihialuronic etc. şi componente celulare.

În Journal of Burn Care & Rehabilitation, o statistică a anilor 1992 arată că anual, numai in SUA, au fost raportate 1,2 milioane de persoane cu arsuridermice, dintre care au fost trataţi peste 650.000 de pacienţi, cca. 75.000 fiind

Page 48: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 48/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   35

spitalizaţi, dintre care un număr de 20.000 cu arsuri grave. S-au înregistrat între8.000−12.000 de decese din această cauză.

Fig.1.22. Imagine SEM a unei structuri 3D de acid hialuronic cu fibroblaste ۩ 

Încercări de a substitui pielea arsă prin transplant epidermic au fost f ăcutede Reverdin şi Thiersch încă din a doua jumătate a secolului al 19-lea, dar mimarea structurii dermului în substituenţi artificiali, ca substraturi 3D celula-

rizate, s-a f ăcut doar în ultimul sfert de secol. În anul 1966, M.A.Karasek arealizat culturi de cheratinocite in vitro, tehnici perfecţionate în 1975 deJ.G.Rheinwald şi H.Green. Preocupările biomimetice ale lui I.V. Zannas şiJ.F.Burke au condus la obţinerea unui sistem bilaminat colagen-glicozamino-glicani, suport de cultur ă pentru celulele epidermice [145,146].

În anul 1981 E.Bell a obţinut primul echivalent al pielii vii, un gel colage-nic cultivat cu cheratinocite, substituentul permanent numit Integra® [147]. Nuau încetat să apar ă noi produse mai performante, biomimetice.

Controitin-6-sulfatul şi acidul hialuronic au fost încorporate într-o mem- brană de gelatină spre a crea un micromediu potrivit prolifer ării, diferenţierii şimigr ării celulare. Dublul strat prezintă pori de 150µm pe partea dinspre carne,

mimând ţesutul dermic şi pori de 20–50µm pe partea dinspre exterior cultivată cu cheratinocite, mimând epidermul [148].

Suporturile biomimetice 3D trebuie să faciliteze revascularizarea şi inte-grarea în ţesutul gazdă. Sunt produse din biomateriale biomimetice, căutându-se şi căile biomimetice de obţinere a acestor structuri [149] .

În organismul uman nanofibrele de colagen şi de elastină există în diferitestructuri complexe constituind structura fundamentală a ţesuturilor, motiv  pentru care s-a căutat obţinerea de structuri supramoleculare fibroase pe căi biomimetice, prin autoasamblare şi prin unele tehnologii inginereşti (vezi cap.12): s-au obţinut fire prin filarea unor soluţii concentrate colagenice urmată de  parcurgerea, în submersie, a unor băi de coagulare conţinând soluţii saline

۩ 

Page 49: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 49/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  36

acide, sulfat de amoniu, acid acetic sau acetonă şi etanol pentru deshidratare.Prin aceste procese se induc, din păcate, modificări conformaţionale însem-nate ale proteinei native, iar diametrul fibrelor obţinute, de peste 100µm, estemult mai mare decât cel al fibrelor din ţesuturile native.

Tehnica electrofilarii constituie cea mai recentă tehnologie de obţinere a

unor structuri fibrilare la scar ă nanometrică, venind în întâmpinarea concep-telor biomimetice de implementare a ingineriei tisulare. Prin această metodă avansată se obţin nanofibre infinit lungi, continui, cu diametre de la câţivamicroni la 100nm, formând suporturi 3D pentru culturi celulare, similarematricei extracelulare în care fibrilele colagenice au diametre cuprinse între20nm şi 40µm (Fig.1.23).

Se supun acestei tehnici biopolimeri, polimeri sintetici biodegradabili [150]şi substanţe anorganice [151]. Electrofilarea s-a efectuat cu soluţii de colagende tip I şi III de diferite provenienţe [152], cu soluţii de α  şi κ elastină,tropoelastină  şi de elastină recombinantă [153] şi amestecuri ale acestora,optimizându-se mereu forma şi diametrul filamentelor pentru a mima cât mai

  precis matricea extracelular ă. S-a confirmat faptul că suporturile 3D proteiceelectrofilate suportă adeziunea şi amplifică creşterea celular ă.

Fig.1.23. Imagini SEM ale unor structuri 3D - colagenice (a) şi

elastinice cu fibroblaste(b) - electrofilateS-au obţinut diverse suporturi elastinice electrofilate, cu aplicaţii biome-

dicale, având proprietăţi mecanice diferite prin modificarea structurii 3D, adiametrelor filamentelor (<1µm), respectiv a porozităţii. Creşterea elasticităţiistructurii, după principii biomimetice, a rezultat prin diminuarea grosimii şi prin mărirea numărului filamentelor.

Tehnologia proteinelor recombinante conduce la polimeri biomimetici cuaplicaţii biomedicale. Strategiile ingineriei genetice ofer ă posibilitatea ajus-tării proprietăţilor macroscopice a polimerilor, după necesităţi, încă de la nivelmolecular, construindu-se polipeptide care mimează proteinele naturale, ca

a b

Page 50: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 50/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   37

rezistenţă mecanică, elasticitate, vâscozitate, stabilitate in vivo precum şir ăspunsul gazdei la implantare.

În ţările dezvoltate, la începutul ultimului secol, cauza a peste 50% dintredecesele umane o constituie bolile cardiovasculare. Se estimează că până în

anul 2020, aceste boli vor fi r ăspunzătoare pentru moartea a aproximativ 25 demilioane de oameni anual. Cele mai frecvente şi mai grave îmbolnăviri suntlegate de ateroscleroză, boală caracterizată prin acumularea de lipideextracelulare la nivel subintimal, de ţesut fibros, celule musculare netede şi decalciu.

Cunoaşterea detaliată a proprietăţilor biomecanice ale pereţilor arterialieste crucială pentru înţelegerea schimbărilor ce se produc la nivelul sistemuluicardiovascular, din cauza avansării în vârstă, a aterosclerozei şi a hiperten-siunii. Ca alternativă a auto- şi alogrefelor în tratarea patologiilor arterelor şi avenelor cu diametru mare (>6mm) este folosirea grefelor vasculare sinteticedin fire-fibre tricotate sau ţesute, velurate, de politetrafluoretilenă expandată 

(Teflon), polietilentereftalat (Dacron), polimeri hidrofobi înalt cristalini,  poliuretani (Vascugraft), policarbonaţi (Corvita) etc. Materialele ţesute dinDacron prezintă o mult prea mare porozitate motiv pentru care s-a încercatobturarea cu colagen, gelatină sau albumină, simple sau reticulate cu aldehidă glutarică sau formică, iar suprafaţa interioar ă a lumenului a fost heparinizătă   pentru a impiedica−încetini procesele de formare a trombilor [154,155].Suprafaţa interioar ă încărcată eletronegativ a grefelor din Teflon, polimer hidrofob poros, cu pori interconectaţi (10-90µm în diametru) a fost impregnată cu carbon sau heparinizată (Fig.1.24.).

Porozitatea teflonului poate fi fructificată ca loc de depozitare de plasmidADN care îmbunătăţeşte in vivo endotelizarea. S-au f ăcut studii de depunere

de celule endoteliale pe grefele sintetice pentru a reduce trombogenicitateainterfeţelor cu sângele [156,157,158].Din considerente biomimetice, în grefele sintetice au fost încorporate

substanţe bioactive pentru accelerarea procesului de vindecare (fibrină, factoride creştere, heparină). Până acum materialele sintetice nu au atins eficienţaţesuturilor native, mai ales în aplicaţiile clinice, la diametre mici ale vaselor. 

Proprietăţile elastice ale ţesutului arterial parietal joacă un rol hotărâtor înatingerea performanţelor normale ale sistemului cardiovascular. De aceeacomplianţa peretelui arterial este un fenomen esenţial în propagarea pulsului presiunii generate de pompa cardiacă la nivelul regiunilor periferice.

Page 51: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 51/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  38

Fig.1.24. Suprafaţa internă a unei grefe vasculare sinetice.Ţesătur ă (a); Tricot (b); Velur (c)

Materialele biologice nu sunt însă nici omogene şi nici izotrope.De aceea, soluţionarea biomimetică a acestor probleme impune, în primul

rând, observarea structurii vaselor de sânge, a celor trei staturi din care esteconstituit ţesutul vascular şi a proprietăţilor lor specifice:a. Intima, stratul profund al vasului, reprezintă interfaţa sânge-vas. Este formată din celule endoteliale dispuse în monostrat aşezate pe ţesut conjunctiv. Integri-tatea intimei este critică, deoarece lezarea duce la ateroscleroză sau coagulare. În

artere, un strat continuu de ţesut elastic, numit limitanta elastică internă,formează graniţa dintre intima şi media. b. Media, stratul din mijloc al vasului, este propor ţională cu diametrul total alacestuia. Media arterelor este de obicei mai groasă decât media venelor deacelaşi diametru şi este alcătuită din celule musculare şi ţesut elastic în propor ţiivariabile. Fibrele musculare netede sunt aranjate circumferenţial, astfel încât planul de secţiune al unei artere poate fi dedus după orientarea/forma nucleilor fibrelor musculare netede.c.  Adventicea, startul extern al vasului, constituit din fibroblaste în ţesutconjunctiv fibros, care se împleteşte cu ţesutul conjunctiv stromal al organuluiîn care se găseşte vasul de sânge.

Grefa vascular ă ideală trebuie să mimeze cât mai profund proprietăţiledistincte ale fiecărui strat în parte.Pereţii vasculari sunt constituiţi din elastină, colagen şi fibre musculare

netede, în propor ţii variabile, având o densitate cuprinsă între 1−1,2g/cm3.Fibrele componente au elasticităţi diferite: modulul lui Young al fibrelor elas-tinice este de ordinul 3·105 N/m2, respectiv de 3·108 N/m2 şi 6·103

−6·106 N/m2, 

 pentru cele colagenice şi musculare. S-a constatat că celulele muşchilor netezivasculari sunt contractile, migratoare şi proliferative, iar fibroblastele adventi-cei pot fi stimulate să devină miofibroblaste [159]. Peretele arterial manifestă un comportament anizotrop având constante elastice variabile în direcţiile

a b c

Page 52: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 52/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   39

radială, circumferenţială şi axială, fiind necesar ă identificarea unui număr marede constante de material pentru relaţiile constitutive [160,161].

Colagenul de tip I, componentă importantă a majorităţii ţesuturilor conjunctive, este prezent şi în pereţii vasculari. Datorită secvenţelor dinstructura triplului helix care leagă integrinele, matricile colagenice înlesnesc

adeziunea şi creşterea celular ă.Pentru prima dată, în anul 1986, C.B.Weinberg şi A.Bell au descrismodalitatea de obţinere in vitro a unei grefe viabile pe matrici colagenice 3D[162]. Din păcate, suporturilor 3D alcătuite din proteine fibroase reconstituitele lipseşte rezistenţa la solicitări mecanice şi in vivo sunt susceptibile de a firapid biodegradate.

Pentru îmbunătăţirea rezistenţei mecanice a structurilor artificiale colage-nice s-a recurs la tehnici biomimetice de reconstituire din soluţie şi la stimula-rea fibroblastelor în biosinteza fibrelor structurate ierarhizat [163]. Compozi-tele colagen-elastină au probat rezistenţe mecanice adecvate [164].

Progresele f ăcute de ingineria tisular ă cardiovascular ă  şi reconsiderarea

 biomietică a proiectării protezelor a condus la implementarea de grefe viabile,care mimează proprietăţile native ale vaselor de sânge. Acestea sunt repliciartificiale formate din două straturi, suporturi 3D pe schelet colagenic de tip I,mimând intima şi media, prezintă culturi de celule specifice (celule musculareşi fibroblaste), preluate prin biopsie de la vase de sânge native. După prolife-rarea şi diferenţierea celualar ă in vitro, straturile sunt asamblate după modelulnativ iar inainte de implantare de însămânţează cu celule endoteliale.

Fibroblaste dermice au fost menţinute în condiţiile specifice dezvoltăriimatricei proteice extracelulare, în tehnologia tisular ă bazată pe foi sau filme3D. După 6 să ptămâni foile proteice fibroase au fost desprinse de substratul decultur ă şi rulate temporar pe un suport cilindric inert unde, după o perioadă dematurare de circa 10 să ptămâni straturile inidividuale suprapuse fuzionează într-un singur ţesut omogen. Cu câteva zile înainte de implantare vasul bioarti-ficial este însămânţat cu celule endoteliale autologe [165]. Acest proces poatefi repetat pentru a produce, după principii biomimetice, vase de sânge bio-artificiale multistrat rezistente până la presiuni de 3.000mmHg.

În scopul obţinerii de suporturi biomimetice 3D, cât mai asemănătoarefiziologic cu vasele de sânge native, s-au testat ţesuturi alogene decelularizateca substituenţi ai matricii extracelulare. Au fost testate suporturi celularealcătuite din intestin de porc decelularizat cu depunere în lumen de colagenreticulat bovin de tip I [166]. Ţesut alogen arterial pulmonar decelularizat prinmetoda enzimă/detergent a probat reale proprietăţi reparatorii pe vasele mari laovine [167]. Reducerea trombogenicităţii suporturilor 3D decelularizate s-a

Page 53: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 53/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  40

realizat prin heparinizarea covalentă a lumenului. Grefele decelularizate hepa-rinizate au probat proprietăţi similare vaselor proaspete rezistând la până dezece ori presiuneafitiologice sanguine şi implantate pe artere carotide la câiniau fost recelularizate în timp de două luni atât de celule musculare cât şi decelule endoteliele [168]. Alo şi xeno grefe decelularizate au fost recelularizate

in vitro cu celule musculare netede vasculare umane [169].Celulele musculare netede şi cele endoteliale au migrat şi s-au diferenţiat pe ţesuturi vasculare porcine decelularizate împreună cultivate cu celuleendoteliale progenitoare A20, rezultând ţesuturi vasculare transgenice cu potenţial anti-arterosclerotic şi anti-stenotic [170]. Dacă fibrele de colagenasigur ă rezistenţa, rigiditatea matricei extracelulare, fibrele de elastină organi-zate direcţional specific, asigur ă extensibilitatea şi rezilienţa ţesutului [171].

Prin electrofilarea unor amestecuri de soluţii de colagen de tip I, elastină şiacid polilactic sau copolimeri ai acizilor polilactic şi poliglicolic, poli(ε-caprolactona), gelatină de tip A sau B, s-au obţinut matrici 3D cu proprietăţisimilare arterelor bovine, rezistând la presiuni cu de 12 ori mai mari decât

  presiunea normală sistolică [172,173,174]. Meşele biomimetice, folosite înexperimentele elastografice vasculare sunt compozite de agar şi gelatină, undegelatina contribuie la caracterul elastic al materialului rezultat, în timp ceagarul asigur ă rigiditatea şi coeziunea [175].

Sistemul nervos prezintă câteva provocări unice pentru aplicaţiile biomi-metice. Nervii periferici se regenerează în urma unor traume dar rezultateletratamentelor clinice sunt limitate în prezent din punct de vedere al recuper ăriiiar nervii centrali dezvoltă  ţesuturi cicatriciale, care inhibă regenerarea(Fig.1.25.).

Fig.1.25. Anatomia nervului periferic

Page 54: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 54/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   41

Epineureum leagă fasciculele nervoase de componenetele vecine, inclusivde vasele sangvine, fiecare fascicul este înconjurat de perineureum, alcătuit dinfibre de colagen şi celule plate (ex. fibroblaste). În interiorul fasciculelor,ţesutul conjunctiv, endoneureum, conectează axonii individuali. Endoneure-umul constă din fibre de colagen orientate paralel cu axonii. Stratul bazal

separ ă axonii de endoneureum şi asigura situsuri pentru ataşarea axonilor. Stratul bazal este compus din laminina, colagen şi alte componenete alematricei extracelulare. Sub membrana bazală, celulele Schwann înconjoar ă axonii, izolându-i. Pliurile membranei celulare Schwann ce înconjoar ă axoniişi proteinele din interior sunt cunoscute sub numele de mielina.

Există o nevoie clar ă de dispozitive biomimetice pentru sistemul nervos.Principalul obiectiv al biomimeticii la nivelul sistemului nervos este de astimula regenerarea sau de a reda funcţia după lezarea nervoasă.

Capacitatea limitată de recuperare a sistemului nervos şi necesitateastringentă a înlocuirii funcţiei nervoase a condus la proiectarea şi apariţia unor dispozitive biomimetice de protezare. Majoritatea tehnologiilor utilizează 

microelectrozi pentru a interacţiona direct cu celulele nervoase (de exemplu,implanturile retinal şi cohlear). Aceste accesorizări digitale nu se aseamănă însă suficient cu semanlizarea nervoasă motiv pentru care protetica viitoruluiva utiliza analogi de o mai mare acurateţe. Multe rezultate ştiinţifice de certă valoare, care au potenţialul de a contribui la o mai bună înţelegere a sistemelor vii, la dezvoltarea unui nou tip de medicină regenerativă, inclusiv inginerianeuromorfică, la formularea unor biotehnologii revoluţionare, la sinteza unor medicamente eficiente şi la administrarea lor selectivă către ţintele dorite,întârzie din păcate să devină practică curentă. Există preocupări constante, pe  baza unor principii biomimetice, pentru proiectarea-dezvoltarea unor sistemecare să imite structura nervului şi să stimuleze regenerarea acestuia atât însistemul nervos periferic cât şi în cel central. Aceste dispozitive încorporează semnale biologice, mecanice, chimice şi electrice pentru a mima cât mai pre-cis mediul nervos natural. Dispozitivele de regenerare şi de protezare vin înîntâmpinarea unora dintre aceste nevoi [176].

S-au înregistrat succese la recuperarea traumelor minore ale sistemuluinervos periferic unde recuperarea funcţională pe cale clinică a reabilitat 80%dintre cazuri, dar nu şi la nivelul sistemului nervos central. Viteza mică deregenerare necesită perioade îndelungate pentru reabilitare şi recuperare.

Reconstrucţia tisular ă ghidată a nervilor periferici, care utilizează biopoli-meri (colagen, fibrină, glicozaminoglicani) şi polimeri biodegradabili (acizi polilactic şi poliglicolic), autogrefe neuronale şi celule Schwann, recurge şi ea

Page 55: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 55/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  42

la principii biomimetice, funcţionând şi ca un sistem de eliberare controlată care gr ă beşte regenerarea axonală [177, 178].

Canalele de ghidare nervoasă asigur ă conducerea mecanică pentru axoni în  procesul de regenerare şi pot prezenta compartimente fasciculare (mimândnatura fascicular ă a nervului), substarturi 3D de tipul matricei extracelulare,

funcţionalizate cu celule sau cu neurotrofine (proteine care stimulează regene-rarea nervoasă ) cu eliberare controlată [179] şi pot fi modificate pentru astimula proprietăţi cum ar fi conductivitatea electrică [180] sau biodegrabi-litatea şi porozitatea [181,182 ] (Fig.1.26.).

Fig.1.26 Canale de ghidare nervoase şi modificări de stimulare a regener ăriiAu fost testate şi canale combinate umplute cu fibre de colagen de tip I,

conţinând factori neurotrofici şi molecule anti-inhibitorii, acoperite cu lamini-nă  şi fibronectină, care gr ă  besc creşterea neuritelor [183,184]. Porozitateagelurilor (de exemplu, Matrigel: laminină, colagen, elastină  şi sulfat deheparan) este un factor critic pentru extensia nervoasă. Organismul umanr ăspunde la diverse tipuri de semnale motiv pentru care sunt necesare tehnicicomplexe de mimare biologică care pot aproxima procesul natural de regene-rare.

Biomimetica funcţiei spinale a început cu dezvoltarea de microelectrozimatriţaţi pe substrat. Microelectrozii de regenerare, pot „citi“ modificările

Page 56: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 56/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   43

apărute în potenţialul de membrană al axonilor, utilizează cipuri perforate  pentru a înteracţiona cu fibrele nervoase în procesul de regenerare. Un altdispozitiv protetic biomimetic conceput pentru a interacţiona cu celula ner-voasă utilizează în locul microlelectrozilor tranzistorii cu efect de câmp demărime micrometrică. Una din cele mai mari dificultăţi asociate protezelor 

neurale biomimetice este integrarea şi interpretarea semnalelor neurale [185].Şi exemplele de utilizare biomimetică a bioplimerilor ar putea continua şi pentru cartilaje, tendoane, ligamente, muşchi ş.a.m.d.

Procesele de cultivare a ţesuturilor viabile umane (piele, vase de sânge,cartilaj) în bioreactoare respectă principiile biomimeticii.

Acum 50 de ani s-a efectuat primul transplant de rinichi uman deschizân-du-se calea înlocuirii unor păr ţi uzate sau vătămate ale organismului. Astăzi,  pentru că cererea de transplanturi de ţesuturi şi de organe depăşeşte cu multoferta, crearea de organe viabile în laborator constituie o provocare importantă  pentru medicină, bioiniginerie protetică şi ştiintele conexe [186].

Organele bioartificiale (rinichi, pancreas, ficat, plămân etc.) combină aspectele caracteristice protezelor implantabile cu avantajele biologice aletransplantului de organe şi constituie o alternativă a terapiei genetice [187,188,189,190].

Aparatele extracorporale cum ar fi: aparate de circulaţie extracorporală,aparate de hemodializă, ficatul artificial, bypass-uri cardio-pulmonare, oxige-natoare cu membrană, mimează funcţii ale organelor vitale. Mai multe tipuri deficat bioartificial se află în teste clinice [191].

În proietarea acestor aparate precum şi a sistemelor de eliberare controlată sau ţintită a principiilor active se ţine seama de natura calitativă a fenomenelor de transport de masă, de moment şi de energie din mediile biologice şi determodinamica şi cinetica reacţiilor chimice şi biochimice. Se studiază posibi-lităţile de mimare în scopuri medicale a fenomenelor de transport: transportulde masă transmembranar  şi prin medii poroase, transportul transvascular,implicaţiile interacţiunilor biochimice în trasportul de masă, transportul inter-celular şi adeziunea celular ă, transportul de masă prin matricea extracelular ă,transportul de gaze între sânge şi ţesuturi, transportul în organe etc.

Suprafeţele polimerice care vin în contact cu fluidele biologice, cucelulele sau cu componentele celulare pot fi construite spre a proba proprietăţispecifice de recunoaştere ori dimpotrivă, de a rezista legării unor componenteîn funcţie de scopul urmărit şi de mediu biologic. Designul suprafeţelor pentrurecunoaştere şi adeziune celular ă sau pentru pasivizare, cuprinde un număr de

Page 57: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 57/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  44

tehnici cum ar fi: grefarea suprafeţelor, iradierea în ultraviolet, iradierea curadiaţii ionizante sau iradierea cu fascicule de electroni.

A fost pusă la punct o nouă tehnică, numită biomimetică configuraţională,  prin care se pot obţine noi materiale biomimetice care imită recunoaşterea

 biologică pentru eliberearea controlată sau ţintită a principiilor active, cuaplicaţii în ingineria cito-tisular ă şi în biosezori [192]. Termenul de biomime-tică configuraţională se refer ă la un aranjament 3D a unor grupări chimice care  pot să lege în mod specific anumite biomolecule similar recunoaşteriimoleculare din mediul biologic (de exemplu, enzimă-substrat, ADN – ARN,anticorp-antigen etc.). In vivo, recunoaşterea biomolecular ă de către structurilemacromoleculare implică legături puternice, necovalente, datorate structurilor cu orientări specifice ale unor grupe funcţionale multiple, comple-mentarităţiişi configuraţiei. Mecanismele de recunoaştere biomolecular ă alcătuiesc un totfuncţional complex care implică reorganizarea conforma-ţională  şi/sauflexibilitatea molecular ă a păr ţilor implicate.

Biomimetica configuraţională este parte din imprintarea biomimetică configuraţională molecular ă (imprinting), o tehnică de obţinere în matricile  polimerice a unor modele – cavităţi profilate sau nanovacuole, cu memoriaformei moleculelor model, prezentând grupări chimice orientate spre a forma puncte multiple de complexare cu molecule specifice.Tehnica mimează meca-nismul enzimatic de recunoaştere cheie-broască şi mână-mănuşă.

 Noile terapii inteligente sau eliberarea inteligentă a principiilor active facapel la cele mai noi generaţii de biomateriale sensitive capabile de recunoaş-tere molecular ă. Reţele biomimetice inteligente, suficient de permisive pentrudifuzia solventului şi a solvitului atât în cât şi din matrice, pot recunoaşte şilega molecule biologice specifice.

Evoluţia a condus la capacitatea de asamblare naturală a unei largi paletede specii chimice în structuri funcţionale care pot lega în mod specific anumi-te molecule. Arhitecturi biomimetice nanometrice funcţionale, mimând inter-feţele celulare, pot fi obţinute prin autoasamblarea lanţurilor proteice naturalesau sintetice alcătuite din mai puţin de 100 de aminoacizi, în special pentruîncapsularea şi eliberarea ţintită a unor principii active.

Tehnologia imprintării moleculare biomimetice a creat posibilităţi sporitede încărcare cu principii active a moleculelor de transport pentru sistemele cueliberare susţinută, pentru obţinerea de biosenzori stabili în noile terapii şi pentru noi dispozitive de diagnostic.

Page 58: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 58/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   45

Sistemele biomimetice de eliberare a substanţelor bioactive includ un de-sign de recunoaştere a ţintei şi mecanisme inteligente de duplicare a proce-selor complexe biologice şi fiziologice, controlează propor ţiile dintre concen-traţiile unor biomolecule specifice utile, recunosc biomoleculele nedorite şi leînlătur ă prin mecanisme biocatalitice, asigur ă eliberarea ţintită a principiilor 

active şi a proteinelor, susţin procesele concurenţiale alosterice de recunoaş-tere şi de legare-eliberare a liganzilor. Aceste materiale biomimetice artificiale  pot fi incluse în sisteme de eliberare controlată a medicamentelor acţionânddual atât în eliberarea in vivo a principiilor active conţinute dar şi în fixarea şitransportul unor biomolecule. Se prefer ă eliberarea medicamentelor antican-cer, la locul ţintit de acţiune, prin administrarea intravenoasă a unor preparateobţinute prin încapsularea principiilor active în vesicule unilamelare mari(LUV cu diametre Φ<100 nm) care probează timpi îndelungaţi de viaţă încirculaţia sistemică. 

Reţele biomimetice imprintate molecular şi hidrogeluri biomimetice au fostutilizate ca purtători de medicamente [193,194,195]. Aceste structuri sunt

suficient de flexibile pentru a permite transportul difuzional, în şi din reţea, atât pentru liganzi cât şi pentru solvent.Sinteza şi caracterizarea gelurilor configuraţionale biomimetice, a siste-

melor de eliberare a medicamentelor imprintate molecular  şi a proteinelor constituie teme de mare interes în cercetarea actuală [196,197,198]. Abilitateade a mima morfologia suprafeţelor sistemelor biologice permite cercetătorilor să reproducă proprietăţile unice ale suprafeţelor asociindu-le, la scar ă nanome-trică, noilor materiale biomimetice [199].

Vaccinurile sunt preparate biologice dotate cu proprietăţi antigenice, caredeclanşează apariţia r ăspunsului imun la organismele supuse vaccinării.Asociaţii lipidice supramoleculare, mimând dublul strat lipidic celular, au fostrealizate pe diverse specii chimice de particule. Astfel, aplicaţii ale particulelor   biomimetice sferice şi discoidale în eliberarea medicamentelor  şi avaccinurilor, a particulelor  şi a lipozomilor conjugaţi cu anumiţi liganzi, au  probat o capacitate sporită de localizare a „ţintei”, respectiv accentuareaasimilării in vivo stimulând un r ăspuns imunitar mai bun. Încorporarea unor caracteristici biomimetice în vaccinurile microparticulate a dovedit o creşteresemnificativă a caracterului efectiv după administrare. Mimarea antigenelor cuanticorpi încapsulaţi a trecut deja pragul unde vaccinurile anti-Id au probatr ăspunsuri imune protective în modele animale [200].

Harta genomului uman a evidenţiat faptul că dintre cele peste trei miliardede baze doar 2% sunt folosite pentru crearea organismului, în timp ce 8% sunt

Page 59: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 59/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  46

destinate retrovirusurilor endogene, martore a milioane de ani de luptă întreorganismul invadat şi infecţia virală. Readucerea la viaţă a unor retrovirusurieste o cale biomimetică de a găsi modalităţi de intervenţie împotriva HIV şi acancerului.

Identificarea şi caracterizarea molecular ă a antigenilor tumorali a

contribuit la dezvoltarea imunoterapiei tumorale specifice. Peptidele imuno-dominante derivate din antigeni tumorali pot fi uşor sintetizate in vitro şifolosite apoi, pentru imunoterapie, atât singure, cât şi în combinaţie cuadjuvanţi: lipide, liposomi sau peptide ajutătoare [201]. Au fost dezvoltate maimulte tipuri de vaccinuri biomimetice anticanceroase: vaccinuri pe bază decelule tumorale, alcătuite din celule vii alogene sau autogene, capacitatea proliferativă a acestora fiind limitată prin: iradiere, cu mitomicina C sau cuagenţi termici; vaccinuri dendritic celulare cu celule dendritice care pot prezenta antigeni tumorali de celule CD4+ şi CD8+ şi sunt utilizate cu succesîn imunoterapia melanomului; ADN-vaccinurile implică incorporarea genelor ce codează antigenii tumorali în plasmide sau în vectori virali care creşte

 probabilitatea dezvoltării r ăspunsului imun antitumoral.Cercetarile în domeniul vaccinării antituberculoase urmăresc: izolareaacelor fracţiuni antigenice din Mycobacterium tuberculosis, care induc înorganism un raspuns imun protector şi includerea acestora, sub formă de copiimultiple, în vectori purtători; administrarea de micobacterii saprofite, lipsite de potenţial patogen, preluate din mediul înconjurator; administrarea de vaccinuri  plasmidice AND; administrarea unor vaccinuri preparate din recombinanţigenetici. În principiu, metoda de preparare a recombinanţilor genetici estesimilar ă cu aceea de clonare a genelor care codifică anumite proteine. Genacare codifică antigenul dorit este inserată în genomul vectorului fiind apoitranscrisă  şi translată, rezultând antigenul protector dorit în amestec cu alte proteine [202].

Şi toate acestea sunt tot atâtea exemple de mimare a soluţiilor naturii [203,204,205,206,207,208,209,210,211].

Majoritatea fosfolipidelor adoptă structuri în dublu strat, în mod spontandupă dispersarea în apă. Lipozomii sunt sisteme unilamelare sau multilamelare,având straturi alternative lipidice şi apoase cu membrane alcătuite din straturiduble fosfolipidice. Această structur ă permite încorporarea de substanţemedicamentoase solubile în apă (în compartimen-tele apoase) şi solubile înlipide (în straturile duble fosfolipidice), având dimensiuni în intervalul 0,02-100µm. Lipozomii sunt utilizaţi ca sisteme de eliberare controlată netoxice, biodegradabile şi neimunologice care pot solubiliza medicamente cu

Page 60: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 60/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   47

solubiliatate scăzută în apă. Micelele hidrofile ale unor polimeri amfifili, acăror miez lipofil solubilizează medicamentele hidrofobe, sunt folosite dreptagenţi purtători de medicamente cu aplicaţii în eliberarea controlată şi ţintită a  principiilor active, formând sisteme solubile în apă. Având dimensiuni mici,micelele sunt extravazate la ţintele tumorale datorită permeabilităţii mărite a

vaselor de sânge din aceste zone, sau pot evita excretarea renală iar recunoşterea de către sistemul reticuloendotelial scade substanţial pentrudiametrele micelare mai mici de 200nm. Se consider ă că aceste sisteme obţinute prin sinteză reprezintă o nouă chimioterapie a cancerului care foloseşte proceselecelulare în locul celor moleculare, atacând celulele maligne în acelaşi mod ca şilimfocitele T când acestea recunosc antigenele asociate celulei tumorale [47].

Colesterolul este unul dintre cei mai r ăspândiţi steroli din regnul animal  jucând roluri importante de regulator al fluidităţii membranei celulare şi înauto-asamblarea moleculelor în sistemele biologice. Autoasamblarea biomi-metică la scar ă nanometrică a moleculelor este utilizată astăzi pentru obţinereaunor structuri cu arhitecturi şi orientări specifice. Pentru a combina avantajelelipozomilor cu cele prezentate de către micele polimerice, au fost obţinute noimicele biomimetice prin autoasamblarea de copolimeri ai colesterolului cu poli(2-metacriloloxietilfosforilcolina) [212,213].

Multe aplicaţii ale nanoparticulelor  şi a microsferelor polimerice desem-nează diverse sisteme inteligente de eliberare a principiilor active. Metode biomimetice înlesnesc obţinerea şi asamblarea biomaterialelor  şi a sistemelor cu precizie molecular ă. Se anticipează sisteme de eliberare a medicamentelor,nano şi micrometrice, cu autoreglare, care vor combina acţiunile de diagnosti-care cu cele terapeutice, cu monitorizarea în timp real a ţintelor biologice şiadministrarea instantanee a principiilor active conţinute, care vor schimba profund natura şi practica medicinei [214].

Medicina şi farmacologia întâmpină o acută nevoie de sisteme de elibera-re transvascular ă menite să crească specificitatea eliber ării ţintite şi permeaţiatisular ă prin mimarea mecanismelor naturale de transport şi atribuire direcţio-nată a biomoleculelor. Cunoştinţele despre adresabilitatea biologică  şi noilemijloace genomice, pot fi aplicate în sisteme biomimetice inteligente de elibe-rare, caracterul efectiv al ţintirii tisulare fiind atins prin utilizarea leucoci-telor,a bacteriilor şi a viruşilor.

Bioîncapsularea conduce la celule încapsulate în membrane semipermea-  bile care permit allo şi xenotransplantarea, fiind protejate faţă de activitateasistemului imun f ăr ă a fi nevoie de inhibarea acestuia. S-au înregistrat succese

Page 61: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 61/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  48

în teste preclinice şi clinice de transplant celular pentru diabet, hemofilie,cancer  şi afecţiuni renale severe. Însuficienţa celulelor potrivite pentrutransplantare, atât cadaverice cât şi fetale, a condus la utilizarea celulelor stem,ca celule universale pentru încapsulare, cu diferenţierea ulterioar ă in vivo la  biosemnalele specifice. Microîncapsularea reprezintă o tehnologie cu un

 potenţial clinic extrem de ridicat, necesar ă pentru imunoizolarea celulelor stem, în tratarea unei game largi de afecţiuni [215]. Bioîncapsularea ar putea să dea soluţii de eliminare a utilizării principiilor de imunomodulatoare şiimunosurpresoare, creindu-se premize de utilizare a unor noi clase de sistemede eliberare controlată sau ţintită a substanţelor medicamentoase, atât la nivellocal, ţintit cât şi sistemic (Fig.1.27).

Fig.1.27 Microîncapsularea celular ă. A. Nutrienţii, oxigenul şi stimulii pottraversa membrana în timp ce anticorpii şi celulele imune sunt excluse, B.Suport solid prevascularizat care înlesneşte hr ănirea celulelor încapsulate

[216]. 

Celulele stem adulte, izolate din măduva spinării, au probat diferenţierea invitro pe diverse suporturi electrofilate, în miocite, condrocite, adipocite,osteoblaste etc. Celulele stem ofer ă perspectiva unor aplicaţii spectaculoase înterapia celular ă  şi în medicina regenerativă datorită capacităţii lor de autore- plicare şi diferenţiere specifică [217].

 Nevoia de a fabrica suporturi pentru celule care să mimeze funcţiile biolo-gice şi fizice ale matricei extracelulare native a condus la utilizarea a treimetode principale de obţinere a nanofibrelor polimerice, biopolimerice sau acompozitelor fibrilare: electrofilarea, separarea de fază şi autoasamblarea.

De curând, tehnica de pulverizare electrodinamică, având la bază câmpurielectrice de mare intensitate, a fost testată în procesarea celulelor vii încap-sulate f ăr ă afectarea capacităţii lor vitale. Această biotehnologie, folosind

A B

Page 62: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 62/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   49

 biosuspensii celulare (>107celule/ml), poate aplica extrem de precis biostraturispecifice pe suporturi artificiale [218]. Rezultate promiţătoare au fost obţinuteutilizând suporturi nanometrice 3D din biopolimeri elecrofilaţi: colagene de tipI, II, şi X, gelatină, elastină, elastină-colagen, polipeptide elastinice biomi-metice, fibrinogen, fibroină, cazeină. Reţelele nanometrice colagenice fibroase

au dovedit susţinerea adeziunii, creşterii şi diferenţierii celulelor stem pulve-rizate electrodinamic, observată la 12 zile în condiţii de cultur ă [219].Celulele încapsulate constituie şi o sursă de citokine şi de factori de

creştere, generând sisteme biomimetice multicomponent, sisteme biointer-active cu diverse aplicaţii în ingineria tisular ă.

Teoria soluţionării problemelor inventive (Teoriya Resheniya Izobreatatel-skikh Zadatch − TRIZ) este o ştiinţă, r ăspândită astăzi în întrega lume, care priveşte problemele de creativitate aferente fiecărui domeniu al cunoaşterii şise aplică pentru evidenţierea problemelor  şi rezolvarea acestora prin dezvol-tarea gândirii inovative şi a personalităţii creatoare. Pentru fiecare individ în

  parte acomodarea cu TRIZ are un impact determinant asupra propriei vieţi,ajutând în rezolvarea multor probleme, simplificându-i munca şi activitateazilnică, transformând tot ceea ce întreprinde în activităţi interesante şi creative.Sfera de interes se lărgeşte, cunoştinţele care se acumulează sunt tot mai  profunde subiecţii privind lumea înconjur ătoare mai sistematic decât simplarelaţie de cauză şi efect.

TRIZ poate servi la înţelegerea şi transferul de idei şi analogii de la biolo-gie la tehnologia inginerească şi aplicarea acestora pentru îmbunătăţirea calită-ţii vieţii. BioTRIZ, biomimetica aplicată în această direcţie se conduce după  principii aplicate analizei sistemelor. Există astăzi extrem de multe aplicaţii ale  biomaterialelor, găsindu-se peste 8.000 conţinute în diverse dispozitive

medicale, peste 2.500 de produse de diagnostic şi circa 40.000 de preparatefarmaceutice având la bază biomateriale.

Soluţii la întrebările de astăzi ale medicinii vor veni prin dezvoltareananotehnologiilor, prin caracterizarea, organizarea biomimetică  şi manipula-rea materiei la scar ă molecular ă împlicând ştiinţele vieţii şi ştiinţe din domeniiconexe: biomimetică, biotehnologii, biomateriale, inginerie cito-tisular ă, feno-mene de trasport biologic, biochimie, biomecanică, biosemnale, bioinforma-tică, inginerie clinică, inginerie a reabilitării, robotică medicală, imagistică,senzori şi bioinstrumentaţie, modelare a sistemelor fiziologice etc. Se aşteaptă de la cunoaşterea la scara nanometrică noi soluţii apropiate de subtilitateanaturii, mai simple şi mai eficiente, inspirate din viaţa celulelor vii.

Page 63: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 63/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  50

 Acesta nu este sfâr  şitul. Nu este nici mă car începutul sfâr  şitului.

 Dar este poate sfâr  şitul începutului.

Winston Churchill, 1942 

Bibliografie

1.  H.R.Piehler, The Future of Medicine: Biomaterials, MRS Bulletin, v.25, no.8, p.67-70, 2000

2.  M.Chiriţă, Substituen ţ i sanguini, Colecţia Bioinginerie Medicală, nr.3, Ed.Tehnică-Info, Chişinău, 2001R.A.Freitas Jr., " Respirocytes: High Performance

 Artificial Nanotechnology Red Blood Cells", NanoTechnology Magazine 2:1,

8-13 (11), 19963.  M.Chiriţă, www.biomateriale.ro , 20074.  M.Chiriţă, Biopolimeri  şi compozite naturale, Colecţia Bioinginerie Medicală,

nr.1, Editura TEHNICA-INFO, Chişinău, 20015.  Gh.Chiriţă, M.Chiriţă, Tratat de Chimia  şi Tehnologia pieilor  şi bl ă nurilor ,

vol.1, Editura Gh.Asachi, Iaşi, 19996.  P.Bornstein, Covalent cross-links in collagen: A personal account of their 

discovery, Matrix Biology 22: 385–391, 20037.  G.Mayer and M.Sarikaya, Rigid Biological Composite Materials: Structural 

 Examples for Biomimetic Design, Experimental Mechanics 42: 395–403, 20028.  T.T.Teeri, H.Brumer , D.Geoff, P.Gatenholm, Biomimetic engineering of 

cellulose-based materials, Trends în Biotechnology, volume 25, Issued 7, pp.299-306, 2007

9.  M.E. Kassner, S.Nemat-Nasser, Z.Suo, G.Bao, J.C.Barbour, L.C.Brinson,H.D.Espi-nosa, H.J.Gao, S.Granick, P.Gumbsch, K.S.Kim, W.Knauss,L.Kubin, J.Langer, B.C.Larson, L.Mahadevan, A.Majumdar, New directions inmechanics, Mechanics of Materials 37, n.2-3, p.231-259, 2005

10. J.Vincent, The Nature of Materials, Journal of Bionics Engineering, Vol.2, Nr.2, 93-114, 2005

11. J.Vincent, Selected Natural Materials in History, Journal of BionicsEngineering, Vol.2, Nr.3, 161-176, 2005

Page 64: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 64/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   51

12. K. Autumn, C. Majidi, R. E. Groff, A. Dittmore, R. Fearing, Effective elasticmodulus of isolated gecko setal arrays, The Journal of Experimental Biology209, 3558-3568 Published by The Company of Biologists 10.1242/ jeb.02469,2006

13. K.Autumn, S.T.Hsieh, D.M.Dudek, J.Chen, C.Chitaphan, and R.J.Full,

 Dynamics of geckos running vertically, J. Exp. Biol. 209, 260-272, 200614. B.Geisler, A.Dittmore, B.Gallery, T.Stratton, R.Fearing, K.Autumn, Deformation of isolated gecko setal arrays: bending or buckling? 2. Kinetics.Int. Comp. Biol. 44, 557, 2005

15. W.Hansen K.Autumn, Evidence for self-cleaning in gecko setae, Proc. Natl.Acad. Sci. USA 102, 385-389, 2005

16. S.N.Gorb, R.G.Beutel, Evolution of locomotory attachment pads of hexapods, Naturwissenschaften 88, p.530–534, 2001

17. J.Y.Chung, M.K.Chaudhury, Roles of discontinuities in bio-inspired adhesive pads, J. R. Soc.Interface 2, p.55–61, 2005

18.  S.Gorb, M.Varenberg, A.Peressadko, J.Tuma, Biomimetic mushroom-shaped 

 fibrillar adhesive microstructure, J. R. Soc. Interface 4, p.271–275, 200719. A.K.Geim, S.V. Dubonos, I.V.Grigorieva, K.S.Novoselov, A.A.Zhukov,Microfabri-cated adhesive mimicking gecko foot-hair , Nat. Mater. 2, p.461– 463, 2003

20.  D.Santos, S.Kim, M.Spenko, A.Parness, M.Cutkosky, Directional adhesive struc-tures for controlled climbing on smooth vertical surfaces, IEEE Int.Conf.on Robotics and Automation, p.1262-1267, Rome Italy 10-14 April 2007

21.  J.Vacanti, R.Langer, J.M.Karp, A biodegradable and biocompatible gecko-inspired tissue adhesive, Proc.Nat. Acad. Sciences, vol. 105, nr. 7, p.2307-2312, 2008

22.  S.Reddy, E.Arzt, A.del Campo, Bioinspired surfaces with switchable

adhesion, Advanced Materials, vol. 19, p.3833-3837, 200723.  S.Sethi, L.Ge, L.Ci, P.M.Ajayan, A.Dhinojwala, Gecko-inspired carbon

nanotube-based self-cleaning adhesives, Nanoletters, 10.1021/nl0727765, 12Feb. 2008

24.  B.Yurdumakan, N.R.Raravikar, P.M.Ajayan, A.Dhinojwala, Synthetic gecko foot-hairs from multiwalled carbon nanotubes, Chem.Commun. 30, p.3799– 3801, 2005

25.  A.Mahdavi, L.Ferreira L.Feirrara, C.Sundback, J.W.Nichol, E.P.Chan,D.J.D.Carter, C.J.Bettinger, S.Patanavanich, L.Chignozha, E.Ben-Joseph,A.Galakatos, H.Pryor, I.Pomerantseva, P.T.Masiakos, W.Faquin, A.Zumbuehl,S.Hong, J.Borenstein, B.Yurdumakan, N.R.Raravikar, P.M.Ajayan,

Page 65: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 65/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  52

A.Dhinojwala, Synthetic gecko foot-hairs from multiwalled carbon nanotubes,Chem.Commun. 30, p.3799–3801, 2005

26. M.T.Northen, K.L.Turner, A batch fabricated biomimetic dry adhesive, Nanotechno-logy 16, p.1159–1166, 2005

27. A.Zhao, T.Mei, X.Lin, L.Ni, Fabrication and characterization of tree-like

nanorod arrays for bionic gecko foot-hairs, 7th IEEE Conf. on  Nanotechnology, p.259-262,2-5 Aug. 2007

28.  B.Aksak, M.P.Murphy, M.Sitti, Gecko inspired micro-fibrillar adhesives for 

wall climbing robots on micro/nanoscale rough surfaces, IEEE Int. Conf. onRobotics and Automation, Pasadena, CA, USA, May 19-23, 2008, p.3058-3063, 2008

29. O.P.Troncoso, F.G.Torres, C.J.Grande, Characterization of the mechanical 

 proper-ties of tough biopolymer fibres from the mussel byssus of Aulacomyaater , Acta Biomaterialia, Volume 4, Issue 4, p.1114-1117, July 2008

30. J.Roach, Gecko, Mussel Powers Combined in New Sticky Adhesive, National

Geographic News, July 18, 200731. F.Kurk, C.McNamara, Better by design.An innovation Guide., MinnesotaPollution Control Agency, 2007

32. H.Yahya, BIOMIMETIC: Technology Imitates Nature, Globalpublishing,Istambul, 2006

33. T.Opriş, Mică enciclopedie a bionicii, Ed.Did. şi pedagogică, R.A., Bucureşti,2005

34. T.Mueller, Biomimetics, National Geographic, 200835. C.Valery, M.Paternostre, B.Robert, Th.Gulik-Krzywicki, T.Narayanan, Jean-

Claude Dedieu, G.Keller, Maria-Luisa Torres, R.Cherif-Cheikh, P. Calvo andF.Artzner,  Biomimetic organization: Octapeptide self-assembly into nanotubes

of viral capsid-like, PNAS, 200736. M.Chiriţă, Mechanical properties of collagen biomimetic films formed in the

 presence of calcium, silica and chitosan, Journal of Bionics Engineering,Vol.5, nr.2, p.149-159, 2008

37. J.M.Benyus, Biomimicry, New York: William Morrow and Company,Inc.,1997

38. I.Pascu, Suporturi biomimetice pentru ingineria tisular ă , FBIM, Iaşi, 200739. M.Chiriţă, Substituien ţ i sanguini, vol.I., Colecţia Bioinginerie Medicală nr.3,

Ed. Tehnică-Info, Chişinău, 200140. R.F. Steinert, Visual outcomes with multifocal intraocular lenses, Current 

Opinion in Ophthalmology, 11(1), p.12-21, 2000

Page 66: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 66/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   53

41. A.S.Gobin, J.L.West, Cell migration through defined, synthetic  ECM analogs,Faseb.16, p.751–753, 2002

42. H.Shin, S.Jo, A.G.Mikos, Modulation of marrow stromal osteoblast adhesion

on biomimetic oligo[poly(ethylene glycol) fumarate] hydrogels modified witharg-gly- asp peptides and a poly(ethyleneglycol) spacer , J.Biomed.Mater.Res.

61, p.169–179, 200243. E. Behravesh, V.I.Sikavitsas, A.G.Mikos, Quantification of ligand surfaceconcen-tration of bulk modified biomimetic hydrogels, Biomaterials 24, p.4365–4374, 2003

44. H.Hiratani, A.Fujiwara, Z.Tamiya, Z.Mizutani, C.Alvarez-Lorenzo , Ocular 

release of timolol from molecularly imprinted soft contact lenses, Biomaterials26, p. 1293–1298, 2005

45. J.Z.Hilt, M.E.Byrne, Configurational biomimesis in drug delivery: molecular 

imprin-ting of biologically significant molecules, Adv.Drug Del.Rev. 56, p.1599–1620, 2004

46. M.Chiriţă, Sisteme de eliberare a substan ţ elor bioactive, Vol.I, Ed.

Tehnopress, 200447. G.H.Altman, F.Diaz, C.Jakuba, T.Calabro, R.L. Horan, J.Chen, H.Lu,J.Richmond, D.L.Kaplan, Silk-based biomaterials, Biomaterials 24, p.401– 416, 2003

48. D.G.Wallace, J.Rosenblatt, Collagen gel systems for sustained delivery and tissue engineering , Adv. Drug Deliv. Rev. 55, p.1631–1649, 2003

49. C.K.Kuo, P.X.Ma, Ionically crosslinked alginate hydrogels as scaffolds for 

tissue engineering: Part 1. Structure, Gelation rate and mechanical properties,  Biomate-rials 22, p.511–21, 2001

50. F.Zhao, Y.Yin, W.W.Lu, J.C.Leong, W.Zhang, J.Zhang, M.Zhang, K.Yao, Prepara-tion and histological evaluation of biomimetic three-dimensional hydroxyapatite/-chitosan-gelatin network composite scaffolds, Biomaterials 23, p.3227–3234, 2002

51. S.M.Mithieuxa, J.E.J.Raskob, A.S.Weissa, Synthetic elastin hydrogels derived 

 from massive elastic assemblies of self-organized human protein monomers,

Biomaterials 25, p.4921–4927, 200452. A.S.Hoffman, Hydrogels for biomedical applications, Ann.NY Acad.Sci. 944,

 p.62–73, 200153. S.H.Rhee, Y.Suetsugu, J.Tanaka, Biomimetic configurational arrays of 

hydroxy-apatite nanocrystals on bio-organics, Biomaterials 22, p. 2843-2847,2001

54. E.Khor, L.Y.Lim, Implantable applications of chitin and chitosan, Biomaterials 24, p.2339–2349, 2003

Page 67: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 67/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  54

55. C.Vepari, D.L.Kaplan, Silk as a biomaterial , Prog. Polym. Sci. 32, p.991– 1007, 2007

56. C.Holland, A.E.Terry, D.Porter, F.Vollrath, Natural and unnatural silks,Polymer 48, p.3388-3392, 2007

57. M.Chiriţă, I contributi riguardando lo sviluppo della base di biomateriali.

 L’idrolisi del collageno dalla pelle dei suini, C.M.P.C., Ricerca e Technologia per l’Industria Conciaria, Italia, nr.5, p.293-309, 200158. M.Chiriţă, Celuloz ă  , produse din lemn. Aplica ţ ii biomedicale, Colecţia

Bioinginerie Medicală nr.4, Ed.Tehnică-Info, Chişinău, 200159. R.A.Brown, Cytomechanics in connective tissue repair and engineering.

‘‘Tissue Repair, Contraction and the Myofibroblast’’ Landes Bioscience,Georgetown, 2005

60. Charles A.Vacanti, The History of Tissue Engineering and A Glimpse Into Its

 Future, Journal of Cellular and Molecular Medicine, Vol 10, nr.3, 569-576,2006

61. Gh.Chiriţă, M.Chiriţă, Tratat de Chimia  şi Tehnologia pieilor  şi bl ă nurilor ,

vol.1, Editura Gh.Asachi, Iaşi, 199962. E.Entcheva, H.Bien, L.Yin, C-Y.Chung, M.Farrell, Y.Kostov, Functional 

cardiac cell constructs on cellulose-based scaffolding, Biomaterials 25, p.5753–5762, 2004

63. A.Svensson, E.Nicklasson, T.Harrah, B.Panilaitis, D.L.Kaplan, M.Brittberg,P.Gaten-holm, Bacterial cellulose as a potential scaffold for tissue engineering 

of cartilage, Biomaterials 26 p.419–431, 200564. T.Freier, R.Montenegroc, H.S.Koh, M.S.Shoichet, Chitin-based tubes for 

tissue engineering in the nervous system, Biomaterials 26, p.4624–4632, 200565. T.Masuko, N.Iwasaki, S.Yamane, T.Funakoshi, T.Majima, A.Minami,

 N.Ohsuga, T.Ohta, S.I.Nishimura, Chitosan–RGDSGGC conjugate as a

 scaffold material for  musculoskeletal tissue engineering , Biomaterials 26, p. 5339–5347, 2005

66. Alberto Di Martino, M.Sittinger, M.V. Risbud, Chitosan: A versatile

biopolymer for orthopaedic tissue-engineering, Biomaterials 26, p. 5983–5990,2005

67. R.E.Unger, M.Wolf, K.Peters, A. Motta, C.Migliaresi, C.J.Kirkpatrick. Growth

of human cells on a non-woven silk fibroin net: a potential for use in tissueengineering, Biomaterials 25, p.1069–1075, 2004

68. D.L.Kaplan, Y.Wang, U.J.Kim, D.J.Blasioli, H.J.Kim, In vitro cartilage tissue

engineering with 3D porous aqueous-derived silk scaffolds and mesenchymal  stem cells, Biomaterials 26, p.7082–7094, 2005

Page 68: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 68/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   55

69. C.Li, C.Vepari, H.J.Jin, H.J.Kim, D.L.Kaplan, Electrospun silk-BMP-2 scaffolds for bone tissue engineering , Biomaterials 27, p.3115–3124, 2006

70. P.Wongpanit, N.Sanchavanakit, P.Pavasant, T.Bunaprasert, Y.Tabata,R.Rujiravanit, Preparation and characterization of chitin whisker-reinforced  silk fibroin nanocom-posite sponges, European Polymer Journal 43, p.4123– 

4135, 200771. U.J.Kim, J.Park, H.J.Kim, M.Wada, D.L.Kaplan, Three-dimensional aqueous-derived biomaterial scaffolds from silk fibroin, Biomaterials 26,p. 2775–2785,2005

72. J.R.Mauney, T.Nguyen, K.Gillen, C.Kirker-Head, J.M.Gimble, D.L.Kaplan, Engine-ering adipose-like tissue in vitro and in vivo utilizing human bone

marrow and adipose-derived mesenchymal stem cells with silk fibroin 3D scaffolds, Biomaterials 28, p.5280–5290, 2007

73. W.Tan, R.Krishnaraj, T.Desai, Evaluation of nanostructured compositecollagen–chitosan matrices for tissue engineering , Tissue Eng 7, p.203–11,2001

74. 

Feng Zhao, Yuji Yin, W.W. Lu, J.C.Leong, W.Zhang, J.Zhang, M. Zhang,K.Yao, Preparation and histological evaluation of biomimetic three-

dimensional hydroxyl-apatite/chitosan-gelatin network composite scaffolds, Biomaterials 23, p.3227–3234, 2002

75. S.Drotleff, U.Lungwitz, M.Breunig, A.Dennis, T.Blunk, J.Tessmar,A.Gopferich, Biomimetic polymers in pharmaceutical and biomedical 

 sciences, European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics 58, p.385–407, 2004

76. M.Hacker, J.Tessmar, M.Neubauer, A.Blaimer, T.Blunk, A.Gopferich,M.B.Schulz, Towards biomimetic scaffolds: Anhydrous scaffold fabrication from biodegradable amine-reactive diblock copolymers, Biomaterials 24, p.4459–4473, 2003

77. J.M.Taboas, R.D.Maddox, P.H.Krebsbach, S.J.Hollister, Indirect solid free

 form fabrication of local and global porous, biomimetic and composite 3D polymer-ceramic scaffolds, Biomaterials 24, p.181–194, 2003

78. M.Endres, K.Neumann, S.E.A.Schröder, S.Vetterlein, L.Morawietz, J.Ringe,M.Sittinger, C.Kaps, Human polymer-based cartilage grafts for the

regeneration of articular cartilage defects, Tissue and Cell, Volume 39, Issue5, p.293-301, 2007

79. R.Adhikari, P.A.Gunatillake, I.Griffiths, L.Tatai, M.Wickramaratna,S.Houshyar, T.Moore, R.T.M.Mayadunne, J.Field, M.McGee, T.Carbone, Biodegradable injecta-ble polyurethanes: Synthesis and evaluation for 

Page 69: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 69/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  56

orthopaedic applications, Bioma-terials, Volume 29, Issue 28, p.3762-3770,2008

80. A.A.Ignatius, L.E.Claes In vitro biocompatibility of bioresorbable polymers:

 poly(L,DL-lactide) and poly(L-lactide-co-glycolide), Biomaterials, Volume 17,Issue 8, p. 831-839, 1996

81. 

M.Zilberman, Novel composite fiber structures to provide drug/proteindelivery for medical implants and tissue regeneration, Acta Biomaterialia 3,Issue 1, p.51-57, 2007

82. K.A.Blackwood, R.McKean, I.Canton, C.O.Freeman, K.L.Franklin, D.Cole,I. Brook, P.Farthing, S.Rimmer, J.W.Haycock, A.J.Ryan, S.MacNeil,  Development of biodegradable electrospun scaffolds for dermal replacement ,Biomaterials, Volume 29, Issue 21, p.3091-3104, 2008

83. S.Heydarkhan-Hagvall, K.Schenke-Layland, A.P.Dhanasopon, F.Rofail, H.Smith, B.M.Wu, R.Shemin, R.E.Beygui, W.R.MacLellan, Three-dimensional 

electrospun ECM-based hybrid scaffolds for cardiovascular tissueengineering, Biomate-rials, Volume 29, Issue 19, p.2907-2914, 2008

84. 

L.S.Nair, C.T.Laurencin, Biodegradable polymers as biomaterials, Progress inPolymer Science, Volume 32, Issues 8-9, p.762-798, 200785. J.S.Carson, M.P.G.Bostrom, Synthetic bone scaffolds and fracture repair, 

Injury, Volume 38, Issue 1, Supplement 1, p.S33-S37, 200786. Wan-Ju Li, J.A.Cooper Jr., R.L.Mauck, R.S.Tuan, Fabrication and 

characterization of six electrospun poly( α-hydroxy ester)-based fibrous scaffolds for tissue engineering applications, Acta Biomaterialia, Volume 2,Issue 4, p.377-385, 2007

87. L.Almany, D.Seliktar, Biosynthetic hydrogel scaffolds made from fibrinogen

and polyethylene glycol for 3D cell cultures, Biomaterials, Volume 26, Issue15, p.2467-2477, 2005

88. R.A. Brown, J.B. Phillips, Cell Responses to Biomimetic Protein Scaffolds

Used in Tissue Repair and Engineering  , International Review of Cytology ,Volume 262, p.75-150, 2007

89. S.Deb, Editor, Orthopaedic bone cements, King's College London, WoodheadPubli-shing Limited, 2008

90. S. B. Harati, M.K. Sinha, D. Basu,  Hydroxyapatite coating by biomimetic

method on titanium alloy using concentrated SBF , Bull. Mater. Sci., Vol. 28, No. 6, , p. 617–621, October 2005

91. E.Eisenbarth, D.Velten, J.Breme, Biomimetic implant coatings, Biomolecular Eng. 24 p.27–32, 2007

Page 70: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 70/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   57

92. A.M.Lipski, H.Choi, I-Wei Chen, V.P.Shastri, Towards biomimetic interfaces:nano-scale modification of metal surfaces, Summer BioengineeringConference, Sonesta Beach Resort in Key Biscayne, Florida, June 25-29, 2003

93. M.Schuler, G.Rh.Owen, D.W.Hamilto, Michael de Wild,M.Textor,D.M.Brunette, S.G.P.Tosatti, Biomimetic modification of titanium dental 

implant model surfaces using the RGDSP-peptide sequence: A cell morphology study, Biomaterials 27. p.4003–4015, 200694. Ai Lin Chuna,b, J.G.Moralezb, T.J.Webstera, H.Fenniri, Helical rosette

nanotubes: A biomimetic coating for orthopedics?, Biomaterials 26, p.7304– 7309, 2005

95. Q.Zhang, Y.Leng, R.Xin, A comparative study of electrochemical deposition

and biomimetic deposition of calcium phosphate on porous titanium,Biomaterials 26, p.2857–2865, 2005

96. S.Hattara, A.Asselina, D.Greenspanb, M.Oboeufa, A.Berdala, J-M.Sautiera, Potential of biomimetic surfaces to promote in vitro osteoblast-like cell differentia-tion, Biomaterials 26, p.839–848, 2005

97. 

X.Wanga, Y.Lia, J.Weia, K. de Grootb, Development of biomimeticnanohydroxy-apatite/ poly-(hexamethylene adipamide) composites, Biomaterials 23 , p.4787–4791, 2002

98. A.Bigia, E.Boaninia, B.Braccia, Al.Facchinib, S.Panzavoltaa, F.Segattib,L.Sturbaa, Nanocrystal-line hydroxyapatite coatings on titanium:a new fast biomimetic method, Biomaterials 26, p.4085– 4089, 2005

99. Y.F. Choua, W.An Chioub, Y.Xuc, J.C.Y.Dunna, B.M.Wua, The effect of pH 

on the structural evolution of accelerated biomimetic apatite, Biomaterials 25, p. 5323–5331, 2004

100.  A.S.Hutchens, R.S.Benson, B.R.Evans, H.M.O’Neill, C.J.Rawn, Biomimetic synthesis of calcium-deficient hydroxyapatite in a natural hydrogel, Biomaterials 27, p. 4661–4670, 2006

101.  V.M.Rusu, C.H.Nga, M.Wilkec, B.Tierscha, P.Fratzld, M.G.Petera, Size-

controlled hydroxyapatite nanoparticles as self-organized organic–inorganiccomposite materi-als, Biomaterials 26 p.5414–5426, 2005

102.  Grassmann, P.L.Obmann, Biomimetic nucleation and growth of CaCO3 inhydrogel incorporating carboxylate groups, Biomaterials 25, p. 277–282, 2004

103.  Y.C.Chunga, Y.H.Chiub, Y.W.Wuc, Y.T.Taod, Self-assembled biomimetic

monolayers using phospholipid containing disulfides, Biomaterials 26, p.2313– 2324, 2005

104.  J.Tana, W.M.Saltzmana, Biomaterials with hierarchically defined micro-

and nanoscale structure, Biomaterials 25, p.3593–3601, 2004

Page 71: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 71/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  58

105.  I.Masson, H.Beaussier, A.Isăcilă, M.Zidi, S.Laurent, P.Boutouyrie, Biomechanical Analysis of Human Common Carotid Arteries by Segmented  Approach on Non-Invasive Echotracking Systems, Artery Research, Volume 1,Issue 2, p. 48, 2007

106.  S.D.Cook, S.L. Salkeld, L.P.Patron, R.L.Barrack, The effect of 

demineralized bone matrix gel on bone ingrowth and fixation of porousimplants, The Journal of Arthroplasty, Volume 17, Issue 4, p.402-408, 2002107.  K.J.H.Lee, J.G.Roper, Jeffrey C.Wang, Demineralized bone matrix and 

 spinal arthrodesis, The Spine Journal, Volume 5, Issue 6, Supplement1, p.S217-S223, 2005

108.  S.Ma, H.Lin, Y.Miao, X.Liu, B.Wang, J.Dai, The effect of three-

dimensional demineralized bone matrix on in vitro cumulus-free oocytematuration, Biomate-rials, Volume 28, Issue 21, p.3198-3207, 2007

109.  X.Li, Li Jin, G.Balian, C.T.Laurencin, D.G.Anderson, Demineralized bonematrix gelatin as scaffold for osteochondral tissue engineering ,Biomaterials, Volume 27, Issue 11, p.2426-2433, 2006

110. 

Su-Gwan Kim, Woon-Kyu Kim, Joo-Cheol Park, Heung-Jung Kim, Acomparative study of osseointegration of Avana implants in a demineralized  freeze-dried bone alone or with platelet-rich plasma, Journal of Oral andMaxillofacial Surge-ry, Volume 60, Issue 9, p.1018-1025, 2002

111.  P.Kasten, R.Luginbühl, M. van Griensven, T.Barkhausen, C.Krettek,M.Bohner, U.Bosch, Comparison of human bone marrow stromal cells seeded 

on calcium-deficient hydroxyapatite,  β -tricalcium phosphate and 

demineralized bone matrix, Biomaterials, Volume 24, Issue 15, p.2593-2603,2003

112.  S.Shin, H.Lee, J.Park, The effects of collagen-apatite composite and 

demine-ralized freeze-dried bone graft on the bone healing in the different  gaps of titanium-bone interface, International Journal of Oral andMaxillofacial Surgery, Volume 34, Supplement 1, p.8-14, 2005

113.  C.Di Vito, E.Emanuele, S.Lista, Demineralized bone matrix enriched with

human recombinant interleukin-11: A novel therapeutic option in treatment of 

delayed unions and nonunions?, Medical Hypotheses, Volume 69, Issue 4, p.954, 2007

114.  J.R.Mauney, C.Jaquiéry, V.Volloch, M.Heberer, I.Martin, D.L.Kaplan, Invitro and in vivo evaluation of differentially demineralized cancellous bone

 scaffolds combined with human bone marrow stromal cells for tissueengineering , Biomaterials, Volume 26, Issue 16, p.3173-3185, 2005

Page 72: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 72/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   59

115.  D.J.Pacaccio, S.F.Stern, Demineralized Bone Matrix: Basic Science and Clinical Applications, Clinics in Podiatric Medicine and Surgery, Volume 22,Issue 4, p. 599-606, 2005

116.  B.Chen, H.Lin, J.Wang, Y.Zhao, B.Wang, W. Zhao, W.Sun, J.Dai, Homogeneous osteogenesis and bone regeneration by demineralized bone

matrix loading with collagen-targeting bone morphogenetic protein-2, Biomaterials, Volume 28, Issue 6, p.1027-1035, 2007117.  M.E.Islam, B.K.Das, F.Hakim, Q.B.Rahman, M.R.Molla, A study on

demineralized allogenic bone graft with platelet rich plasma used in periodontal bone, International Journal of Oral and MaxillofacialSurgery, Volume 36, Issue 11, p.1050, 2007

118.  S.X.Pan, Y.Li, H.L.Feng, W.Bai, Y.Y.Gu, In vitro aging of mineralized 

collagen-based composite as guided tissue regeneration membrane, MaterialsScience and Engineering: C, Volume 26, Issue 4, p.724-729, 2006

119.  A.Tampieri, G .Celotti, E .Landi, M.Sandri, N.Roveri, G.Falini, Biologically

inspired synthesis of bone like composite: self assembled collagen

 fibers/hydroxy-apatite nanocrystals, J.Biomed.Mater.Res. 67A, p.618–625,2003120.  F.Z.Cui, Y.Li, J.Ge, Self-assembly of mineralized collagen composites,

Materials Science and Engineering: R: Reports, Volume 57, Issues 1-6, p.1-27,2007

121.  M.Balooch, S.Habelitz, J.H.Kinney, S.J.Marshall, G.W.Marshall,Mechanical pro-perties of mineralized collagen fibrils as influenced by

demineralization, Journal of Structural Biology, Volume 162, Issue 3, p.404-410, 2008

122.  J.O.Hollinger, T.A.Einhorn, B.A.Doll, C.Sfeir,  Bone tissue engineering, Boca Raton, CRC Press, 2005

123.  H.W.Kim, J.C.Knowles, H.E.Kim, Hydroxyapatite and gelatin composite

 foams processed via novel freeze-drying and crosslinking for use as temporaryhard tissue scaffolds, J.Biomed.Mater.Res., Part A, 72A, p.136–145, 2005

124.  T.Siegmund, M.R.Allen, D.B.Burr, Failure of mineralized collagen fibrils:

Modeling the role of collagen cross-linking, Journal of Biomechanics, Volume41, Issue 7, p.1427-1435, 2008

125.  B.P.Kanungo, E.Silva, K.Van Vliet, L.J.Gibson, Characterization of 

mineralized collagen–glycosaminoglycan scaffolds for bone regeneration, ActaBiomateria-lia, Volume 4, Issue 3, p.490-50, 2008

126.  T.Kokubo, M.Hanakawa, M.Kawashita, M.Minoda,T.Beppu, T.Miyamoto,T.Naka-mura, Apatite formation on non-woven fabric of carboxymethylated 

chitin in SBF, Biomaterials 25, p.4485–4488, 2004

Page 73: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 73/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  60

127.  B.H.Yoon, H.W.Kim, S.H.Lee, C.J.Bae, Y.H.Koh, Y.M.Kong, H.E.Kim,Stability and cellular responses to fluorapatite–collagen composites,Biomaterials 26, p.2957–2963, 2005

128.  H.W.Kim, H.E.Kim, V.Salih, Stimulation of osteoblast responses to

biomimetic nanocomposites of gelatin–hydroxyapatite for tissue engineering 

 scaffolds, Biomate-rials 26, p.5221–5230, 2005129.  S.A.Hutchens, R.S.Benson, B.R.Evans, H.M.O’Neill, C.J.Rawn, Biomimetic synthe-sis of calcium-deficient hydroxyapatite in a natural hydrogel ,Biomaterials 27, p. 4661–4670, 2006

130.  X.Wang, Y.Lia, J.Wei, K.Groot, Development of biomimetic nano-

hydroxyapa-tite/poly(hexamethylene adipamide) composites, Biomaterials 23, p.4787–4791, 2002

131.  M.Schuler, G.Rh.Owen, D.W.Hamilton, M.de Wild, M.Textor,D.M.Brunetteb, S.G.P.Tosatti, Biomimetic modification of titanium dental 

implant model surfaces using the RGDSP-peptide sequence: A cell morphology study, Biomaterials 27, p.4003–4015, 2006

132. 

K.A.Hing, Bone repair in the twenty-first century: biology, chemistry or engineering?, Phil.Trans.R.Soc.Lond.A 362, p.2821–2850, 2004133.  E.Eisenbarth, D.Velten, J.Breme, Biomimetic implant coatings, Biomolecular 

Engi-neering 24, p. 27–32, 2007134.  Q.Zhang, Y.Leng, R.Xin, A comparative study of electrochemical deposition

and biomimetic deposition of calcium phosphate on porous titanium,Biomaterials 26, p.2857–2865, 2005

135.  A.Cuneyt Tas, Synthesis of biomimetic Ca-hydroxyapatite powders at 37°C in synthetic body fuids, Biomaterials 21. p. 1429-1438, 2000

136.  K.E.Healy, G.M.Harbers, T.A.Barber, D.R.Sumner, Osteoblast interactionswith engineered surfaces, Bone Engineering, EMSSquared Inc., Toronto, p.268–81, 2000

137.  M.Tanahashi, T.Yao, T.Kokubo, M.Minoda, T.Miyamoto, T.NakamuraT.Yamamu-ro, Apatite coatingon organic polymers by a biomimetic process,Am.CERAM Soc. 77(11), p.2805–2808, 1994

138.  S.Bharati, M.K.Sinha,D.Basu, Hydroxyapatite coating by biomimeticmethod on titanium alloy using concentrated SBF , Bull. Mater. Sci., Vol. 28, No. 6, October 2005, p. 617–621, 2005

139.  L.Jonasova, F.A.Muller, A.Helebrant, J.Strnad, P.Greil, Biomimetic apatite

 forma-tion on chemically treated titanium, Biomaterials 25, p.1187–1194, 2004140.  E.Landi, A.Tampieri, G.Celotti, R.Langenat, M.Sandri, S.Sprio, Nucleation

of biomimetic apatite in synthetic body fluids:dense and porous scaffold 

development , Biomaterials 26, p.2835–2845, 2005

Page 74: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 74/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   61

141.  Y.W.Gu, B.Y.Tay, C.S.Lim, M.S.Yong, Biomimetic deposition of apatitecoating on surface-modified NiTi alloy, Biomaterials 26, p. 6916–6923, 2005

142.  Y.F.Chou, W.A.Chiou, Y.Xu, J.C.Y.Dunn, B.M.Wu, The effect of pH on the

 structural evolution of accelerated biomimetic apatite, Biomaterials 25, p.5323–5331, 2004

143. 

A.Bigi,E.Boanini, B.Bracci, A. Facchini, S.Panzavolta, F.Segatti, L.Sturba, Nano-crystalline hydroxyapatite coatings on titanium:a new fast biomimeticmethod , Biomaterials 26, p.4085–4089, 2005

144.  I.Jones, L.Currie, R.Martin, A guide to biological skin substitutes, BritishJournal of Plastic Surgery 55, p.185-193, 2002

145.  H.Beele, Artificial skin: Past, present and future, The International Journalof Artificial Organs. 25(3), p.163-173, 2002

146.  E.Bell, B.Ivarsson, C.Merrill, Production of a tissue-like structure bycontraction of collagen lattices by human fibroblasts of different proliferative potential in vitro, Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 76, p.1274-1278, 1979

147.  T.W.Wang, H.C.Wu, Y.C.Huang, J.S.Sun, F.H.Lin, Biomimetic Bilayered 

Gela-tin-Chondroitin 6 Sulfate-Hyaluronic Acid Biopolymer as a Scaffold for Skin Equivalent Tissue Engineering , Artificial Organs 30, p.141-149, 2006148.  R.Chen, J.A.Hunt, Biomimetic materials processing for tissue-engineering 

 pro-cesses, J.Mater.Chem. 17, p.3974 – 3979, 2007149.  G.K.Sangamesh, P.N. Syam, J.Roshan, S.N.Lakshmi, T.L.Cato, Electrospun

 poly (lactic acid-co-glycolic acid) scaffolds for skin tissue engineering ,Biomaterials 29, p.4100–4107, 2008

150.  S.Liao, Biomimetic electrospun nanofibers for tissue regeneration,Biomedical Ma-terials 1, p.45-53, 2006

151.  D.I.Zeugolis, S.T.Khew, E.S.Y.Yew, A.K.Ekaputra,Y.W.Tong,L.Y.L.Yung, D.W.Hutmacher, C.Sheppard, M.Raghunath, Electro-spinning of 

 pure collagen nano-fibres - Just an expensive way to make gelatin?,  Biomaterials 29, p.2293-2305, 2008

152.  M.Li, M.J.Mondrinos, M.R.Gandhi, F.K.Ko, A.S.Weiss, P.I.Lelkes, Electrospun protein fibers as matrices for tissue engineering, Biomaterials 26, p.5999-6008, 2005

153.  D.J.Cziperle, K.A.Joyce, C.W.Tattersall, Albumin impregnated vascular 

 grafts: albumin resorption and tissue reactions, J Cardiovasc.Surg. 33, p407-414, 1992

154.  L.Xue, H.P.Greisler, Biomaterials in the development and future of vascular  grafts, J.Vascular Surgery 37, Issue 2, p. 472-480, 2003

Page 75: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 75/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  62

155.  H.Yu, W.Dai, Z.Yang, P.Kirkman, F.A.Weaver, D.Eton, V.L.Rowe, Smooth

muscle cells improve endothelial cell retention on polytetrafluoroethylene grafts in vivo, J.Vasc Surg. 38(3), p.557–563, 2003

156.  S.F.Tao, L.Chen,Y.X.Zheng,Y.Xu, J.Chen, H.Yu, Proliferation of 

endothelial cell on polytetrafluoroethylene vascular graft materials carried 

VEGF gene plasmid , J.Zhejiang Univ.Sci.B. 7(6), p.421–428, 2006157.  L.Kennedy, X.S.Wen, D.E.Carter, D.J.Abraham, A.Leask, Fibroblast 

adhesion results in the induction of a matrix remodeling gene expression program, Matrix Biology 27, Issue 4, p.274-281, 2008

158.  G.B.Gharios, M.Ponticos, V.Rajkumar, D.Abraham, Extra-cellular matrix in vascu-lar networks, Cell.Prolif. 37, p.207–220, 2004

159.  D.H.Bergel, The static elastin properties of the arterial wall, J.Physiol. 156, p.445–457, 1961

160.  D.H.Bergel, The dynamic elastic properties of the arterial wall, J.Physiol.156, p.458–469, 1961

161.  C.B.Weinberg, A.Bell, A blood vessel model constructed from collagen and 

cultured vascular cells, Science 231, p.397–400, 1986162.  D.Seliktar, R.A.Black, R.P.Vitro, R.M.Nerem, Dynamic mechanical 

conditioning of collagen-gel blood vessel constructs induces remodeling invitro, Ann.Biomed.Eng. 28, p.351-362, 2000

163.  J.A.Matthews, J.D.Stitzel, G.E.Wnek, D.G.Simpson, G.L.Bowlin, Smoothmuscle cell migration in electrospun poly(lactic acid) and collagen/elastin,Cardiovascular Pathology 11, p.13, 2002

164.   N.L´Heureux, Human tissue-engineered blood vessels for adult arterial revascularization, Nat.Med. 12, p.361–365, 2006

165.  L. Xue, H.P.Greisler, Biomaterials in the development and future of vascular grafts, J. Vasc. Surg. 37, p.472-480, 2003

166.  A.Ketchedjian, A.L.Jones, P.Krueger, E.Robinson, K.Crouch,L.Wolfinbarger Jr, R.Hopkins, Recellularization of Decellularized Allograft Scaffolds in Ovine Great Vessel Reconstructions, The Annals of ThoracicSurgery 79, Issue 3, p.888-896, 2005

167.  B.S.Conklin, E.R.Richter, K.L.Kreutziger, D.S.Zhong, C.Chen, Development and evaluation of a novel decellularized vascular xenograft , MedicalEngineering & Physics 24, p.173–183, 2002

168.  Q.Tu, Y.Zhang, D.Ge, J.Wu, H.Chen, Novel tissue-engineered vascular 

 patches based on decellularized canine aortas and their recellularization invitro, Applied Surface Science, article in presswww.elsevier.com/locate/apsusc, 2008

Page 76: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 76/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   63

169.  C.Zhu, D.Ying, J.Mi, L.Li, W.Zeng, C.Hou, J.Sun, W.Yuan, C.Wen,W.Zhang, Development of anti-atherosclerotic tissue-engineered blood vessel 

by A20-regulated endothelial progenitor cells seeding decellularized vascular 

matrix, Biomaterials 29 p.2628–2636, 2008170.  J.Gosline, M.Lillie, E.Carrington1, P.Guerette, C.Ortlepp, K.Savage, Elastic

 prote-ins: biological roles and mechanical properties, Phil.Trans., RoyalSoc.London, Biological Sciences, Volume 357, Number 1418, p.119-234, 2002171.  L.Buttafoco, N.G.Kolkman, P.E.Buijtenhuijs, A.A.Poot, P.J.Dijkstra,

I.Vermes, J.Feijen, Electrospinning of collagen and elastin for tissue

engineering applications, Biomaterials 27, p.724-734, 2006172.  J.D.Stitzel, J.Liu, S.J.Lee, M.Komura, J.Berry, S.Soker, G.Lim, M.Van

Dyke, R.Czerw, J.J.Yoo, A.Atala, Controlled fabrication of a biological 

vascular substitute, Biomaterials 27, p.1088-1094, 2006173.  S.Heydarkhan-Hagvall, K.Schenke-Layland, A.P.Dhanasopon, F.Rofail,

H.Smith, B.M.Wu, R.Shemin, R.E.Beygui, W.R.MacLellan, Three-

dimensional electrospun ECM-based hybrid scaffolds for cardiovascular tissue

engineering , Biomaterials 29, p.2907–2914, 2008174.  I.Masson, H.Beaussier, A.Isacila, M.Zidi, S.Laurent, P.Boutouyrie, Biomechanical Analysis of Human Common Carotid Arteries by Segmented  Approach on Non-Invasive Echotracking Systems, Artery Research 1, Issue 2, p.48, 2007

175.  J.H.Wosnick, M.D.Baumann, M.S.Shoichet, Tissue Therapy: Central 

 Nervous System Principles of Regenerative Medicine, p.1248-1269, 2008176.  X.Wen, P.A.Tresco, Fabrication and characterization of permeable

degradable poly(dl-lactide-co-glycolide) (PLGA) hollow fiber phase inversionmembranes for use as nerve tract guidance channels, Biomaterials 27, Issue20, p.3800-3809, 2006

177.  A.Piotrowicz, M.S.Shoichet, Nerve guidance channels as drug delivery

vehicles, Biomaterials 27, Issue 9, p.2018-2027, 2006

178.  E.O.Johnson, P.N.Soucacos, Nerve repair: Experimental and clinical 

evaluation of biodegradable artificial nerve guides, Injury 39, Issue 3,Supplement 1, p.30-36, 2008

179.  R.B.Borgens, Electrically mediated regeneration and guidance of adult 

mammalian spinal axons into polymeric channels, Neuroscience 91, Issue1, p.251-264, 1999

180.  Q.Lu, A.Simionescu, N.Vyavahare, Novel capillary channel fiber scaffolds

 for guided tissue engineering , Acta Biomaterialia 1, Issue 6, p.607-614, 2005

Page 77: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 77/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  64

181.  J.S.Belkas, M.S.Shoichet, R.Midha, Axonal guidance channels in peripheral nerve regeneration, Operative Techniques in Orthopaedics 14, Issue 3, p.190-198, 2004

182.  Y.Takai, H.Nakanishi, Nectin and afadin: novel organizers of intercellular  junctions, J. Cell Sci. 1, 17-27, 2003

183. 

M.C.Dodla, R.V.Bellamkonda, Differences between the effect of anisotropicand isotropic laminin and nerve growth factor presenting scaffolds on nerveregeneration across long peripheral nerve gaps, Biomaterials, Volume 29,Issue 1, p.33-46, 2008

184.  O.J.Winter, C.E.Schmidt, Biomimetic Strategies and Applications in the

 Nervous System, Biomimetic Materials and design, Marcel Dekker, N.Y., 2002185.  R.E.McClelland, L.M.Reid, Bioartificial Livers,  Principles of Regenerative

Medi-cine, p.928-945, 2008186.  P.J.Maguire, C.Stevens, H.D.Humes, A.Shander, N.A.Halpern,

S.M.Pastores, Bio-artificial organ support for hepatic, renal, and hematologic

 failure, Critical Care Clinics 16, p.681-694, 2000

187. 

G.Pless, I.M.Sauer, Bioartificial Liver: Current Status, TransplantationProceedings, 37, p.3893–3895, 2005188.  K.Tiranathanagul, S.Eiam-Ong, H.D.Humes, The Future of Renal Support:

 High-Flux Dialysis to Bioartificial Kidney, Critical Care Clinics, Volume 21,Issue 2, p.379-394, 2005

189.  T.Iwahori, N.Matsuno, Y.Johjima, O.Konno, I.Akashi, Y.Nakamura,K.Hama, H.Iwamoto, M.Uchiyama, T.Ashizawa, T.Nagao, Radial Flow

 Bioreactor for the Creation of Bioartificial Liver and Kidney, TransplantationProceedings 37, p.212–214, 2005

190.  J.K.Park, D.H.Lee, Bioartificial Liver Systems: Current Status and Future Perspec-tive, Journal of bioscience and bioengineering, Vol. 99, nr.4, p.311– 319, 2005

191.  M.E.Byrne, K.Park, N.A.Peppas, Biomimetic Materials for Selective Recognition of Biomolecules, Biological and Biomimetic Materials-Propertiesto Function, MRS, Pittsburgh, PA, p.193-199, 2002

192.  J.Z.Hilt, M.E.Byrne, Configurational biomimesis in drug delivery:molecular imprinting of biologically significant molecules, Advanced DrugDelivery Reviews 56, Issue 11, p.1599-1620, 2004

193.  M.E.Byrne , J.Z.Hilt , N.A.Peppas, Recognitive biomimetic networks with

moiety imprinting for intelligent drug delivery, Journal of Biomedical MaterialsResearch Part A , Volume 84A, Issue 1, p.137–147, 2007

194.  M.E.Byrne, K.Park, N.A.Peppas, Molecular imprinting within hydrogels,Advanced Drug Delivery Reviews 54, p.149–161, 2002

Page 78: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 78/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor   65

195.  P.Parmpi, P.Kofinas,  Biomimetic glucose recognition using molecularlyimprinted polymer hydrogels, Biomaterials 25, p.1969-1973, 2004

196.  S.T.Andreadis, D.J.Geer, Biomimetic approaches to protein and gene

delivery for tissue regeneration, Trends in Biotechnology 24, Issue 7, p.331-337, 2006

197. 

F.Zhang, J.Chan, H.Y.Low, Biomimetic, hierarchical structures on polymer  surfaces by sequential imprinting , Applied Surface Science 254, p.2975–2979,2008

198.   N.A.Peppas, Intelligent therapeutics: biomimetic systems and 

nanotechnology in drug delivery, Advanced Drug Delivery Reviews 56, Issue11, p.1529-1531, 2004

199.  M.E.Keegan, J.A.Whittum-Hudson, W.M.Saltzman, Biomimetic design in

micro-particulate vaccines, Biomaterials 24, Issue 24, p.4435-4443, 2003200.  C.L.Slingluff, Immunological results of a phase II randomized trial of 

multipeptide vaccines for melanoma, J.Clin.Oncol; 2004 ASCO Annual Meeting 22 (14S), p.7503, 2004

201. 

A.M.Carmona-Ribeiro, Biomimetic particles in drug and vaccine delivery,Journal Liposome Research 17(3-4), p.165-72, 2007202.  K.Khatri, A.K.Goyal, P.N.Gupta, N.Mishra, A.Mehta, S.P.Vyas, Surface

modified liposomes for nasal delivery of DNA vaccine, Vaccine 26, Issue18, p.2225-2233,2008

203.  K.W.C.Mok, A.M.I.Lam, P.R.Cullis, Stabilized plasmid-lipid particles:

 factors influencing plasmid entrapment and transfection properties,Biochimica et Biophysica Acta - Biomembranes, Volume 1419, Issue 2, p.137-150, 1999

204.  S.C.Semple, S.K.Klimuk, T.O.Harasym, N.D.Santos, S.M.Ansell,K.F.Wong, N.Maurer, H.Stark, P.R.Cullis, M.J.Hope, P.Scherrer, Efficient 

encapsulation of antisense oligonucleotides in lipid vesicles using ionizableaminolipids: formation of novel small multilamellar vesicle structures,Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes, Volume 1510, Issues1-2, p.152-166, 2001

205.  D.B.Fenske, I.MacLachlan, P.R.Cullis, Stabilized plasmid-lipid particles: A

 systemic gene therapy vector , Methods in Enzymology, Volume 346, p.36-71,2002

206.  D.B.Fenske, P.R.Cullis, Entrapment of Small Molecules and Nucleic Acid–  Based Drugs in Liposomes, Methods in Enzymology, Volume 391, p.7-40,2005

Page 79: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 79/88

 Biomimetica şi bioingineria materialelor  66

207.  Y.Perrie, G.Gregoriadis, Liposome-entrapped plasmid DNA:characterisation studies, Biochimica et Biophysica Acta - GeneralSubjects, Volume 1475, Issue 2, p.125-132, 2000

208.  Y.Perrie, P.M.Frederik, G.Gregoriadis, Liposome-mediated DNAvaccination: the effect of vesicle composition, Vaccine, Volume 19, Issues 23-

24, p.3301-3310, 2001209.  J.Zhu, J.Xue, Z.Guo, R.E.Marchant, Vesicle size and stability of biomimeticliposomes from 3′ -sulfo-Lewis a (SuLea ) containing glycolipids, Colloids andSurfaces B: Biointerfaces 58, Issue 2, p.242-249, 2007

210.  Y.Perrie, J.E.Barralet, S.McNeil, A.Vangala, Surfactant vesicle-mediated 

delivery of DNA vaccines via the subcutaneous route, International Journal of Pharmace-utics, Volume 284, Issues 1-2, p.31-41, 2004

211.  S.Zhang, Fabrication of novel biomaterials through molecular self-

assembly, Nat. Biotechnol. 21, p. 1171– 1178, 2003212.  J.P.Xu, J.Ji, W.D.Chen, J.C.Shen, Novel biomimetic polymersomes as

 polymer therapeutics for drug delivery, Journal of Controlled Release 107,

Issue 3, p.502-512, 2005213.  J.Zachary Hilt, Nanotechnology and biomimetic methods in therapeutics:

molecular scale control with some help from nature, Advanced Drug DeliveryReviews 56, Issue 11, p.1533-1536, 2004

214.  A.Dove, Cell-based therapies go live, Nature Biotechnol. 20, p.339–343,2002

215.  G.Orive, R.M.Hernández, A.R.Gascón, R.Calafiore, T.M.S.Chang,P.D.Vos, G.Hortelano, D.Hunkeler, I.Lacík, A.M.J.Shapiro, J.L.Pedraz, Cell encapsulation: Promise and progress, Nature Medicine 9, nr.1, p.105-107,2003

216.  Z.Ma, M.Kotaki, R.Inai, Potential of nanofiber matrix as tissue-engineering  Scaffolds, Tissue Eng. 11, p.101–109, 2005

217.  S.N.Jayasinghe, A.Townsend-Nicholson, Stable electric-field driven cone- jetting of concentrated biosuspensions, Lab Chip 6, p.1086–1090, 2006 

218.  Srinivasan A.V., Haritos G. Hedberg, Biomimetics. Advancing man−madematerials, through guidance from nature, Appl. Mech. Rev., 44., p.463-482,1991 

Page 80: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 80/88

Page 81: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 81/88

TRATAT DE BIOMOLECULE  I

CUPRINSUL 

Volumul 2

PARTEA a -III − a

  PROTEINE FIBROASE

12. COLAGENUL

12.1. Introducere 42112.2. Biosinteza colagenului 42612.2.1. Faza intracelular ă 42612.2.2. Faza extracelular ă 43312.3. Compoziţia şi structura colagenului 43612.3.1. Compoziţia în aminoacizi 436

12.3.2. Tipuri de colagen 44112.3.3. Structura primar ă 45212.3.3.1. Studiul secvenţei aminoacizilor din lanţurile α− polipeptidice 45412.3.4. Structura secundar ă 46312.3.5. Structura ter ţiar ă 46712.3.6. Structura cuaternar ă 47412.4. Proprietăţile fizico-chimice ale colagenului 48612.4.1. Caracterul coloidal al colagenului 48712.4.2. Teoria echilibrului de membrană Donnan 48712.4.3. Absorbţia vaporilor de apă de către colagen 49312.4.4. Mecanismul adsorbţieide apă de către piele 496

12.4.5. Interacţiunea colagenului cu acizii şi bazele 498

Page 82: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 82/88

TRATAT DE BIOMOLECULE II

12.4.5.1. pH-ul izoelectric al colagenului 49912.4.5.2. Interacţiunea colagenului cu acizii 50112.4.5.3. Interacţiunea colagenului cu alcaliile 50412.4.5.4. Modificări produse de acizi şi alcalii asupra colagenului 50512.4.6. Influenţa sărurilor neutre asupra colagenului 508

12.4.7. Influenţa oxidanţilor asupra colagenului 50912.4.8. Umflarea colagenului 51212.4.8.1. Umflarea osmotică 51312.4.8.2. Umflarea liotropă 51712.4.9. Tranziţia helix–ghem 52712.4.10. Colagenul compus semicristalin 52912.4.11. Transformările termice ale colagenului 53212.5. Denaturarea şi renaturarea colagenului 53912.6. Enzimele care produc degradarea colagenului 54112.6.1. Colagenazele animale 54212.6.2. Colagenazele bacteriene 542

12.7. Hidroliza colagenului 54312.8. Conversia colagenului în gelatină 54512.9. Modificări chimice ale colagenului 55112.10. Solubilizarea colagenului 56012.10.1. Solubilizarea colagenului în soluţii de săruri neutre 56212.10.2. Solubilizarea colagenului în mediu acid 56312.10.3. Solubilizarea colagenului insolubil 56412.11. Reconstituirea colagenului din soluţie 57012.12. Geluri. Paste. Hidrolizate 57512.12.1. Geluri 57512.12.2. Paste 57712.12.3. Hidrolizate 57712.13. Efectele radiaţiilor asupra colagenului 57912.13.1. Introducere 57912.13.2. Efectele radiaţiilor ionizante asupra colagenului 58212.13.3. Efectele radiaţiilor ultraviolete asupra colagenului 58312.14. Elemente de patogeneză ale colagenului 58812.15. Îmbătrânirea colagenului 58912.15.1. Consideraţii generale 58912.15.2. Modificări ale colagenului în procesul de îmbătrânire 59112.15.3. Aspecte privind îmbătrânirea pielii 59312.16. Utilizări ale materialelor colagenice 59412.16.1. Introducere 594

Page 83: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 83/88

TRATAT DE BIOMOLECULE  III

12.16.2. Generalităţi privind prelucrarea pieilor 59812.16.2.1 . Pielea animală 59812.16.2.2. Conservarea pieilor. Operaţiile preliminare şi de tă băcire 60112.16.3. Materiale colagenice 61312.16 3.1. Biomateriale colagenice 614

12.16.3.2. Materiale alimentare 62112.16.3.3. Materiale auxiliare pentru prelucrarea pieilor 62412.16.3.4. Utilizări diverse 62512.17. Fibrele reticulare sau reticulina

 Bibliografie

630

632

13. ELASTINA

13.1. Introducere 65013.2. Caracteristici histologice ale ţesutului elastic 650

13.3. Chimia şi biochimia elastinei 65213.4. Biofizica elastinei 65913.5. Proprietăţile fizice şi chimice ale elastinei 66013.6. Elastazele şi acţiunea lor asupra elastinei 66213.7. Reticulările dintre elastină şi colagen 66313.8. Implicaţiile elastinei în procesul de îmbătrânire 66713.9. Elastina ca biomaterial 66913.9.1. Biomateriale derivate de la elastine naturale 67113.9.1.1. Ţesuturi decelularizate care conţin elastină 67113.9.1.2. Purificarea elastinei 67313.9.1.3. Elastina hidrolizată 676

13.9.2. Biomateriale derivate die la elastine bio(sintetice) 67713.9.2.1. Tropoelastina bio (sintetică) 67713.9.2.2. Fragmente de tropoelastină 67713.9.2.3. Polimeri asemenea elastinei 67813.9.2.4. Hibrizi ai elastinei cu alte molecule 67913.10. Aplicaţiile elastinei la biomateriale 68013.10.1. Pielea 68013.10.2. Construcţii vasculare 68013.10.3. Autoasamblarea materialelor 68113.11. Rezilina şi abductina 682

  Bibliografie

Page 84: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 84/88

TRATAT DE BIOMOLECULE IV

14. KERATINA

14.1. Introducere 69414.2. Epidermul 69614.3. Părul 69914.3.1. Constituţia firului de păr 70114.3.1.1. Măduva 70114.3.1.2. Scoar ţa sau stratul cortical 70214.3.1.3. Cuticula 70414.3.1.4. Foliculul pilos 70514.3.1.5. Muşchiul erector 70814.3.1.6. Forma şi culoarea părului 70814.4. Keratinizarea 71114.5. Structura chimică a keratinelor, compoziţia în aminoacizi

din fibre şi componenţii lor morfologici 717

14.6. Stadiile de organizare ale keratinelor din păr 71814.6.1. Structura α−keratinei 72114.6.2. Structura β−keratinei 72414.6.3. Structura  γ −keratinei 72514.7. Proprietăţile fizico-chimice ale keratinelor 72614.7.1. Acţiunea acizilor şi bazelor asupra keratinelor 72614.7.2. Reducerea şi oxidarea keratinelor 72814.8. Solubilizarea şi reconstituirea keratinelor 73014.9. Pana

 Bibliografie

733

738

15. MĂTASEA DE PĂIANJEN

15.1. Introducere 74115.2. Păianjenul 74215.3. Firul şi pânza de păianjen 74615.4. Mătasea de păianjen 75015.5. Structura şi proprietăţile firului de mătase dragline 75315.6. Posibilităţi de utilizare a firelor de mătase de păianjen 760

 Bibliografie  760

Page 85: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 85/88

TRATAT DE BIOMOLECULE  V

16. MĂTASEA DE VIERMI DE MĂTASE

16.1. Noţiuni generale de sericicultur ă 76416.2. Compoziţia chimică a mătăsii 76716.3. Structura mătăsii 77016.4. Proprietăţile mecanice ale mătăsii 77516.5. Proprietăţile fizice ale mătăsii 77716.6. Proprietăţile chimice ale mătăsii 77816.7. Sericina 78416.8. Utilizări ale mătăsii 78616.8.1. Aplicaţii biomedicale ale mătăsii

 Bibliografie

INDEX (volumele I  şi II) 

786

790

793

Page 86: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 86/88

 

Cuprinsul volumului I

Partea a I-a

Biomimetica şi Bioingineria materialelor

Cap. 1. Biomimetica şi bioingineria materialelor

Partea a II-a

Componente ale lumii vii

Cap. 2. Biomolecule, celule, ţesuturi

Cap. 3. Apa

Cap. 4. Zaharuri

Cap. 5. Lipide

Cap. 6. Enzime

Cap. 7. Acizi nucleiciCap. 8. Aminoacizi

Cap. 9. Peptide

Cap. 10. Biosinteza proteinelor

Cap. 11. Proteine

Page 87: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 87/88

 

 PARTEA a III - a

PROTEINE FIBROASE

(Colagenul, Elastina, Reticulina, Keratina, Mătasea de păianjeni,Mătasea de viermi de mătase)

Page 88: Tratat biomolecule

8/6/2019 Tratat biomolecule

http://slidepdf.com/reader/full/tratat-biomolecule 88/88

 

Având la bază cunoştinţele tratate în prima şi a doua parte a acestei

lucr ări, se abordează, pe baza literaturii ştiinţifice şi a experienţei proprii a

autorilor, domeniul larg a principalelor proteine fibroase cu multe implicaţiiîn biologie, biochimie, bioinginerie: colagenul, reticulina, elastina, keratina,

mătasea de păianjen şi mătasea de viermi de mătase.

Proteinele fibroase menţionate au reprezentat ample preucupări ale oa-menilor de ştiinţă şi continuă să reprezinte. Despre colagen, elastină, keratină 

există o literatur ă  ştiinţifică bogată încă la de începutul secolului XX, în

scopul cunoaşterii structurii şi proprietăţilor lor, a rolului pe care îl au înorganismele vii, a utilizării lor ca biomateriale.

Colagenul ca şi keratina au fost cel mai mult studiate şi se găseşte o

foarte bogată informare în literatura de specialitate.Colagenul din pielea animală este materia primă pentru industria de

 pielărie şi reprezintă un important biomaterial cu însemnate utilizări înmedicină. De asemenea, se utilizează în industria chimică, farmaceutică,

alimentar ă, în cosmetică etc.Firele de mătase de păianjen, care au proprietăţi mecanice deosebite, de

câteva decenii sunt în atenţia oamenilor de ştiinţă cu referire la structura şi

 proprietăţile lor, de stabilire cât mai exactă a producerii lor de către orga-nismul păianjenului, ca şi de stabilire a căilor de biosinteză  şi de sinteză a

unor fire care să aibă proprietăţi asemănătoare celor produse de păianjen.

Mătasea de viermi de mătase cunoscută de mii de ani ca materie primă  pentru textile s-a folosit mai puţin ca biomaterial.


Recommended