Una biointerfaz es la región de contacto entre una biomolécula, célula , tejido biológico u organismo vivo o material orgánico considerado vivo con otro biomaterial o material inorgánico/orgánico. La motivación para la ciencia de la biointerfaz surge de la necesidad urgente de aumentar la comprensión de las interacciones entre biomoléculas y superficies. El comportamiento de los sistemas macromoleculares complejos en las interfaces de los materiales es importante en los campos de la biología , la biotecnología , el diagnóstico y la medicina. La ciencia de las biointerfaces es un campo multidisciplinario en el que los bioquímicos que sintetizan nuevas clases de biomoléculas ( ácidos nucleicos peptídicos , peptidomiméticos , aptámeros , ribozimas y proteínas diseñadas ) cooperan con científicos que han desarrollado las herramientas para posicionar biomoléculas con precisión molecular (métodos de sonda proximal, métodos de nano y microcontacto, litografía de rayos X y de haz de electrones y métodos de autoensamblaje de abajo hacia arriba), científicos que han desarrollado nuevas técnicas espectroscópicas para interrogar a estas moléculas en la interfaz sólido-líquido, y personas que las integran en dispositivos funcionales (físicos aplicados, químicos analíticos y bioingenieros ). [1] Las biointerfaces bien diseñadas facilitarían interacciones deseables al proporcionar superficies optimizadas donde la materia biológica puede interactuar con otros materiales inorgánicos u orgánicos, como por ejemplo promoviendo la adhesión de células y tejidos a una superficie. [2]
Los temas de interés incluyen, entre otros:
Los campos relacionados con las biointerfaces son la biomineralización , los biosensores , los implantes médicos , etc.
La nanotecnología es un campo en rápido crecimiento que ha permitido la creación de muchas posibilidades diferentes para crear biointerfaces. Las nanoestructuras que se utilizan comúnmente para biointerfaces incluyen: nanomateriales metálicos como nanopartículas de oro y plata , materiales semiconductores como nanocables de silicio , nanomateriales de carbono y materiales nanoporosos . [3] Debido a las muchas propiedades únicas de cada nanomaterial, como el tamaño, la conductividad y la construcción, se han logrado varias aplicaciones. Por ejemplo, las nanopartículas de oro a menudo se funcionalizan para actuar como agentes de administración de fármacos para el cáncer porque su tamaño les permite acumularse en los sitios del tumor de forma pasiva. [4] También como ejemplo, el uso de nanocables de silicio en materiales nanoporosos para crear andamiajes para tejidos sintéticos permite el monitoreo de la actividad eléctrica y la estimulación eléctrica de las células como resultado de las propiedades fotoeléctricas del silicio. [5] La orientación de las biomoléculas en la interfaz también se puede controlar a través de la modulación de parámetros como el pH, la temperatura y el campo eléctrico. Por ejemplo, el ADN injertado en electrodos de oro puede acercarse a la superficie del electrodo al aplicar un potencial de electrodo positivo y, como explicaron Rant et al. [6] , esto puede usarse para crear interfaces inteligentes para la detección biomolecular. Asimismo, Xiao Ma y otros [7] han analizado el control eléctrico de la unión/desunión de la trombina a partir de aptámeros inmovilizados en electrodos. Demostraron que al aplicar ciertos potenciales positivos, la trombina se separa [8] de la biointerfaz.
El silicio es un material común utilizado en la industria tecnológica debido a su abundancia, así como a sus propiedades como semiconductor. Sin embargo, en la forma a granel utilizada para chips de computadora y similares no son propicios para biointerfaces. Para estos fines, a menudo se utilizan nanocables de silicio (SiNW). Varios métodos de crecimiento y composición de SiNW, como el grabado , la deposición química en fase de vapor y el dopaje , permiten personalizar las propiedades de los SiNW para aplicaciones únicas. [9] Un ejemplo de estos usos únicos es que los SiNW se pueden utilizar como cables individuales para usarse en sondas intracelulares o dispositivos extracelulares o los SiNW se pueden manipular para convertirlos en macroestructuras más grandes. Estas estructuras se pueden manipular para convertirlas en estructuras macroporosas tridimensionales flexibles (como los andamios mencionados anteriormente) que se pueden utilizar para crear matrices extracelulares sintéticas . En el caso de Tian et al., se cultivaron cardiomiocitos en estas estructuras como una forma de crear una estructura de tejido sintético que pudiera usarse para monitorear la actividad eléctrica de las células en el andamio. [5] El dispositivo creado por Tian et al. aprovecha el hecho de que los SiNW son dispositivos basados en transistores de efecto de campo (FET). Los dispositivos FET responden a cargas de potencial eléctrico en la superficie del dispositivo, o en este caso la superficie del SiNW. El hecho de ser un dispositivo FET también se puede aprovechar al usar SiNW individuales como dispositivos biosensores . Los sensores SiNW son nanocables que contienen receptores específicos en su superficie que, cuando se unen a sus respectivos antígenos, provocarán cambios en la conductividad . Estos sensores tienen la capacidad de insertarse en las células con una invasividad mínima, lo que los hace en algunos aspectos preferibles a los biosensores tradicionales como los tintes fluorescentes, así como otras nanopartículas que requieren un etiquetado objetivo. [10]