バイオテクノロジーは食品生産における微生物の利用から、人工器官の発展まで幅広い学科をカバーしている。実際、バイオテクノロジーの応用の最初のいくつかの分野の一つはワインを生産する過程である。一般に、バイオテクノロジーは生物学に基づく技術と定義することができる。細胞と生体分子の技術開発技術と製品を利用して、私たちの生活の質と地球環境を改善します。

[表面処理&コーティング/生体材料と医療機器]

医学研究の発展に伴い、欠損した生物構造をインプラントで置換または支持することが慣例となっている。

生体材料の表面はしばしば、その物理的および化学的性質を調節し、各用途における生体材料の機能を改善するように設計および調整される。必要な用途と機能に応じて、チタン、異なるプラスチック、シリコーン、アパタイトなどの様々な材料から製造することができる。

すべての材料の共通点は、それらが生体適合性でなければならないことであり、これは通常、異なる表面処理またはコーティングの添加によって実現される。生物材料の表面特性と性能の設計、製造、特性評価を支援するさまざまな機器を提供しています。

生体適合性コーティングの設計と製造

医療機器は通常、体内に直接置かれた様々な金属で作られている。近年、医療装置の生体適合性を改善するために、異なるコーティングがしばしば使用されている。基本的な生体適合性に加えて、各種刺激への応答性、薬物輸送能力、抗菌品質などの他の必要な性質も、これらの生体材料コーティング中で調整することができる。

ポリマーは生物医学と生物学的応用のための表面コーティングの一種であり、非常に魅力的な材料である。ポリマーは良好な生体適合性を示すだけでなく、薬物輸送を可能にする。ポリマーは表面修飾を容易に行うことができ、不要になった場合には時間とともに分解することができる。使用可能なポリマーの範囲内では、高分子電解質多層膜は多くの可能性は、所望の特性を有する表面コーティングを作成するために使用され、したがって、生体材料に多く使用される。これらのコーティングはまた、薬物または活性ペプチドの放出のために修飾されてもよい。温度、pH、イオン強度の変化に応答するポリマーブラシも人気がある。

高分子電解質多層膜は、高分子カチオンと高分子アニオンの層組立体により生成される。含浸機を用いた積層組立技術は、高分子電解質堆積の優れた方法であることが証明されただけでなく、無機粒子や活性生体分子を生体材料表面に堆積することができ、複雑な表面をコーティングする利点がある。

積層組立堆積を用いてヒドロキシアパタイトとTiO 2ナノ粒子をポリメチルメタクリレートPMMAに固定し、簡単で迅速な非熱コーティング方法（ACS Appl.Mater.and Interfaces 2016、835565-35577）を確立した。別の研究では、ガラス基板上に積層された厚さ25〜70 nmの多孔質セルロースナノ結晶とポリ（ビニルアルコール）CNC／PVAナノ複合材料膜（ACS Appl.Mater.and Interfaces 2014、612674〜12683）を積層体を用いて堆積した。

QCM−D技術は通常、ポリマーブラシ及び高分子電解質多層膜の構築及び応答を監視及び特性化するために用いられる。吸着速度、膜厚、剛性などに基づいて高分子電解質多層膜をリアルタイムで特性化することができ、その後の膜上の相互作用には架橋、膨潤、石灰化、薬物輸送、細胞接着などを含めて特性化することができる。

生体適合性の特性評価

生体材料と生体環境とが結合して器官または他の身体機能を代替または改善するため、生体材料または医療装置の性能と生体適合性は生体材料表面とその生理環境との相互作用に強く依存する。

生体材料への細胞の接着を特徴づけるために、接触角測定により生体材料の生体適合性を研究することができる。小さな水接触角と高い表面自由エネルギーは、材料が良好な接着性を有することを示している。表面粗さは生体材料−細胞間の相互作用にも影響する。

生体適合性と濡れ性もコンタクトレンズの発展に重要な役割を果たしており、その中で快適レンズには良好な濡れ性が必要である。

QSense QCM-Dは表面と生理環境との相互作用の特性に基づいて生体適合性を評価することができ、蛋白質吸着量、細胞が異なる材料に付着する程度、表面誘導免疫応答及び材料の表面をどのように修正してその機能を最適化するかなどの問題に答えることができる。そのため、生体材料の特性を探索し、特性化し、最適化するための有効なツールである。

多孔質チタン表面の生体適合性

粗い生体材料の表面上で接触角を測定する場合は、表面粗さを考慮しなければならない。チタンは骨移植用途でよく使われる金属である。ある程度の空隙率は骨統合に有利であり、したがって、表面粗さの測定は生物材料開発における通常の仕事である。粗さ補正接触角の測定は、粗さが接触角値に与える影響を分離することができる。

応用ダイジェスト–形態と湿潤性が生体適合性に与える影響

[表面粗さと濡れ性ダウンロード]

コンタクトレンズの濡れ特性

コンタクトレンズの濡れ性は、レンズがその表面上で連続的かつ破裂涙膜を支持する能力の尺度である。有限濡れ性を有するレンズは不快であり、視覚性能が低下する。レンズの品質を改善するために、異なるタイプのコーティングを使用します。

コンタクトレンズの濡れ性能を静的及び動的接触角測定により評価した。通常、目の状態を模倣してレンズ表面に留まることができるので、気泡捕捉法を用いて測定することができます水和した状態。後退角は、まぶたが開き、涙膜がレンズ上で破裂し始めたときのシミュレーションである。一方、前進角シミュレーションは、まぶたが閉じ、レンズ上の涙膜が回復し始めた場合である。

ダイジェストダウンロードを応用：「気泡捕捉法によるコンタクトレンズの研究」

タンパク質吸着のリアルタイム特性化

生体材料や医療機器が体内に置かれると、タンパク質はほとんどすぐに表面に吸着し始めます。場合によっては、タンパク質が細胞の付着を促進するので、整形外科インプラントのようなインプラントは有機的に結合することができ、この吸着は有益である。他の場合、例えばステントは、特定のタンパク質、特にフィブリノゲンの吸着が血小板結合とその後の血栓形成または免疫反応を引き起こす可能性があるため、タンパク質吸着は通常不利である。タンパク質の立体配座は、表面の活性及びそれに伴う可能性のある生物学的反応を決定することもある。特定の用途に応じて、材料表面を修飾して所望の効果を促進することができる。

QCM−D技術は、さまざまな表面へのタンパク質の吸着状況をリアルタイムで分析することができる。具体的には、結合されたタンパク質の量及び吸着速度を分析することができる。散逸応答から、特にタンパク質が伸張した形状を有する場合には、配座情報を推定することもできる。これは、新しい医療機器材料のスクリーニングと表面修飾に役立ち、タンパク質の吸着メカニズムを理解するのに役立ちます。

細胞接着と拡張のリアルタイム特性化

細胞と生体材料の表面との接着は、その生体適合性と統合を調節する主要な要素である可能性がある。例えば、骨芽細胞と線維芽細胞の接着は、組織修復と創傷治癒を促進することができる。細胞接着は、表面エネルギー、粗さ、表面に吸着したタンパク質などの表面特性に依存する。

QCM-D技術は1種を提供している特にの方法で細胞を監視し、初期細胞接着の過程であれ、細胞拡張の過程であれ、リアルタイム形態学の過程であれ。QSenseウィンドウモジュールはQCM−Dと光学顕微鏡研究を同時に行うことができ、細胞の形態変化と粘弾性特性を関連付けることができる。

生物鉱化の特徴

骨構造内での生体材料の統合または固定は、移植に成功するための重要なステップである。移植失敗の主な原因の1つは、生体材料の骨への固定不良である。インプラントの固定を強化するために、リン酸カルシウム（CaP）バイオセラミックコーティングをインプラントと周囲組織との間の生物活性界面として用いた。これらのコーティングは、高分子電解質多層膜上に調製することができ、表面を修飾するとCaPの結晶核形成と制御成長を誘導することができる。この方法は複雑な形状や多孔質材料に応用できる利点がある。

QCM−Dは、生物鉱化機構を理解し、高分子電解質多層膜の機能を調整するために、生物鉱化の速度と程度をリアルタイムで監視するために使用することができる。

ブログ記事

［表面粗さと濡れ性が生体適合性にどのように影響するか］

［ヒドロキシアパタイトチップに対する需要の確立］

［生体材料医療機器研究のための5つのQSenseチップ]

［Joy教授による生物材料研究へのインタビュー第二部］

[Joy教授による生物材料研究へのインタビュー]

【生体材料へのタンパク質の吸着】

[表面処理&コーティング/製薬]

薬物の研究と開発には、周囲の環境との相互作用において良い性能を得るために、その行動と性能を考慮し、カスタマイズする必要がある大量の表面が存在する。

この典型的な表面は、医薬錠剤などの製品のコーティングであり、その性質は医薬化合物の送達及び放出に顕著に影響する。他の非常に重要な表面のいくつかは、製剤、貯蔵、投与段階で薬剤が接触する表面であり、各表面相互作用が薬剤の安定性に影響を与える可能性がある場合である。

薬物開発

QSense ののナノグラムレベルの品質感度は薬物の発見と開発に無限の潜在力を提供した。通過QSense の次のような研究活動を行います。

さまざまな実験条件下で、小分子薬物とタンパク質、細胞膜、RNAの相互作用をリアルタイムで正確に監視する。[1]

タンパク質−タンパク質相互作用[2]

小分子とRNAが相互作用すると、RNAの構造が変化する[3]

薬物送達

QSense のコスト効率が高く、時間効率が高い技術であることが証明されており、脂質ナノ粒子（LNP）及びその薬物送達特性の特徴付けに特に適している。大量の文献証明QSense の次のように使用できます。

血清蛋白質と脂質ナノ粒子（LNP）の結合親和性を分析した［4］

生物分子（siRNAやmRNAなど）のLNP上の結合と放出［5］

LNPを標的器官に送達する[6]

無細胞環境における血清蛋白質とLNPsの結合親和性のスクリーニング[7]

LNPsの表面修飾を解析する［8］

脂質と生物活性分子（薬物、DNA、siRNAを含む）との相互作用［9］

ApoE結合による脂質成分分布と全体的なLNP構造への影響[24]

機能化LNPを格納するためのナノ細孔アレイ［25］

LNPs核酸負荷の送達効率を向上させるLNP処方［26］

cDNAを用いて支持脂質二重層にマイクロバブルを固定化した[27]

安定化立方体のブロック共重合体と生体シミュレーション脂質膜との相互作用[28]

製剤処方の開発と最適化、バイオ製薬の生産、貯蔵と投与過程における蛋白質の安定性分析

利用QSense散逸型石英結晶微小天秤バイオ製薬処方物の安定性と材料適合性の分析評価

バイオ製薬の動的ライフサイクルでは、初期の開発アイデアから患者の使用まで、安定性と材料の互換性が重要である。製造、貯蔵、投与中のバイオ医薬品と各種表面との複雑な相互作用は、予想外の吸着、濃度低下、またはタンパク質粒子形成などの課題を引き起こす可能性がある。

リスクを軽減するためのプロアクティブなフィルタリング

および潜在的な問題の早期発生は、スケジュールの妨害と財務損失を回避するために重要である。開発中、表面によって誘導される不安定性を能動的にスクリーニングすることは、後期障害のリスクを低減するのに役立つ。QSense の® QCM-Dは生物製薬相互作用の全面的な分析を提供し、ナノスケールの分子吸着、脱付着構造変化の深い見解を提供し、不適合性を迅速に検出することができる。

バイオ製薬が成功するための早期評価ツールとしてのQSense QCM-Dの重要な能力

バイオ製薬と関連表面材料の相互作用を分析する
バイオ医薬品の開発初期の生産、貯蔵、投与の各段階で使用された材料が完全な処方に与える影響を迅速に評価する。

非互換性をプロアクティブに検出することでリスクを最小化
候補処方の相関表面への吸着量を迅速に測定し、不適合性を軽減する方法を決定する。

リアルタイムで抗体と添加剤の吸着状況を監視する
界面活性剤の作用機序及び安定剤としての潜在力を理解する。

QSenseによるフォーミュラ開発評価

異なる表面材料上の抗体吸着レベルを決定する

材料表面の分子配置を深く理解する

どの面を識別すると互換性の問題が発生する可能性がありますか？

抗体吸着に対する添加剤の影響の評価

濃度、pH値、温度、表面材料または界面活性剤タイプの変化が吸着レベルにどのように影響するかを探索する。

ケースを読む

ダウンロード白書QSense散逸型石英結晶微小天秤技術を用いて晩期の非互換性発見のリスクを低減する方法などについての詳細な情報を理解する。

ダウンロードQSense散逸型石英結晶微小天秤分析を用いたバイオ医薬製剤の安定性と材料適合性の評価本

典型的な例は次のとおりです。

薬物とポリマー、ガラス、金属と金属酸化物、シリコーンオイルなどの表面との相互作用[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]

薬物−タンパク質の表面への吸着を低減するための添加剤の効果[17]

配合条件（濃度、pH値、温度など）の影響、 [18]

生物製品開発における界面及び界面応力の影響[19]

*注：最大200種類のチップ、ユーザーの要求に応じてチップ表面をカスタマイズ可能

生体材料と人体組織の相互作用

インプラントと生体材料の人体内での生体適合性は、それらが成功裏に機能する鍵である。QSense の分子レベルでインプラント表面または生体材料と人体の血液および組織との相互作用のinvitro分析を提供する。

様々な眼ケア処方と粘蛋白質／細胞膜表面との相互作用［20］。

バイオセンサ開発

QSense のタンパク質バイオセンサや即時検出センサなどのタイプセンサの開発にも広く用いられている。

蛋白質バイオセンサ[21]，[22]

即時検出センサ（Point-of-care sensors）[23]

QSense QCM-D分子−表面の相互作用をナノスケールで検出できる表面感受性技術である。吸着、解吸着、表面付着層の構造変化などの現象を分析するために使用することができる。

QSense のQCM-D技術に基づく

散逸型石英結晶マイクロ天秤（QCM−D）はリアルタイムで表面敏感な技術であり、表面相互作用現象、薄膜形成と薄膜特性の分析に用いることができる。

探索QCM-D

QSense Omni散逸型石英結晶微小天秤

QSense オムニは、QCM-D技術の先駆者であるスウェーデンの百欧林科技有限公司が研究開発を推進している最新世代の散逸性石英結晶微小天秤モデルは、QCM-D新しいテクノロジーの集大成者。オムニ市販のどのQCMよりも感度が高く、これにより、より小さな分子、より速いプロセスを定量化し、監視することができ、生物プロセスを研究するのに理想的なツールである。QSenseには200種類以上のチップ表面材料とコーティングがあり、タンパク質吸着速度、薄膜形成、吸着層剛性、石灰化、細胞付着などを特徴づけるために、真の生物環境とプロセスのシミュレーションをサポートする。

QSense オムニ散逸型石英結晶微小天秤

チップ表面の微小から24 ng/cm 2までの変化を検出できる

高速な流体交換（先代製品の5倍）により、より高速でより鮮明なサンプル搬送を実現

ユーザー依存性を最小化するための一連の自動化機能

よりシンプルなワークフローと新しい直感的なソフトウェアインタフェースにより、幅広いユーザーがQCM-Dをより簡単に使用できるようになります。

QSenseの優位性

直感的で自動化された実験台計器

ラボでの導入が容易

タンパク質相互作用のリアルタイムデータ

相互作用プロセスとメカニズムを十分に理解する

必要なサンプル量は90μlと低い

少量のサンプルから価値のある結果を得る

結果は数時間以内に得られます

最終結果を迅速に表示

事前プログラム可能な標準スクリプト

測定のセットアップと再現が容易

複数のチップオプション

バイオ製薬用QSenseチップ

QSenseチップ抗体や他の生物学的医薬品の製造、貯蔵、投与に関連するさまざまな関連表面材料の相互作用を測定することができます。金属、ガラス材料からポリマー、例えばステンレス鋼、ホウケイ酸塩ガラス、生物学的ポリマーまで。

QSense PDMSチップ

PDMS潤滑注射器や実験室器具のようなものです良い選択して、これらの器具の中で、貯蔵液体と生物サンプルの完全性を維持することが重要である。さらに、その熱絶縁性及び電気絶縁性特性は、感受性サンプル及び部品を保護することができる。

ニーズに合ったチップの検出

チップはQCM−D実験の核心である。市場の種類を見る揃っているのチップを探して、どのチップの材料とコーティングを探します適したあなたの研究ニーズ。

コーティング錠製造のための湿潤性特性評価

錠剤のコーティングには様々な用途がある。コーティングは、味やにおいを隠し、胃酸環境の浸食から薬物を保護したり、侵襲性薬物から胃内膜を保護したりするために使用されます。薬剤の放出特性を制御するためにコーティングを設計することもできる。どのような理由であれ、コーティングは錠剤コアに適用され、成功の前提の1つはコーティングと錠剤の良好な接着性である。

良好な接着性を確保するために、コーティング製剤は錠剤の表面に広がる。錠剤の穴に浸透することがあれば、接着力が強化されます。錠剤表面上のコーティング製剤の広がりは、接触角及び表面自由エネルギー測定により評価することができる。表面多孔性も作用するため、結合ひょうめんあらさ粗さ補正の測定と決定せっしょくかくこの問題についてより多くの理解を提供することができます。

場合によっては、湿潤特性が変化するため、薬物を錠剤形態に圧縮することはできない。したがって、Washburn法は薬物化合物のせっしょくかく。Washburn法は乾式ポリマーコーティングなどのプロセスにおける濡れ性の研究にも用いられ、その中でポリマー粉末と異なる添加剤のせっしょくかく興味深いことです。

薬物化合物の接触角測定

製薬産業では通常、医薬化合物として異なる粉末が使用されているので、粉末の湿潤挙動を知ることは製薬産業にとって非常に重要である。

粉末の濡れ性は、シグマ 700/701Washburnメソッドで測定します。Washburn法では、粉末が液体と接触する際の重量の時間的な増加に基づいて接触角を計算する。

参考文献

[1] 超分子双特異性T細胞エンガージャーの抗抗抗小小分子対 [ 2] Small-molecule-mediated control of the anti-tumor activity and off-tumor toxicity of a supramolecular bispecific T cell engagerナット・バイオメドEng 2024, 8 (5), 513–528。https://doi.org/10.1038/s41551-023-01147-6.

[2] ジェネンテック分散モニタリング付きクォーツ結晶微バランスを用いた高高高高高高高高高高高分分散散モニタリングによる高分分分散散モニタリング付きの石英結晶微分微バランスJournal of Pharmaceutical Sciences 2009, 98 (9), 3108-3116。
https://doi.org/10.1002/jps.21610.

[3] ロシュサポートされた脂質双層上の全長C型肝炎ウイルスNS5Bポリメラーゼの再構成と機能分析ACSセント科学 2016, 2 (7), 456–466. https://doi.org/10.1021/acscentsci.6b00112.

[4]ナノ粒子/血液相互作用のスクリーニングのためのQCM-D儀器に基づく速く信頼性の高い方法バイオセンサー2023、13（6）、607。https://doi.org/10.3390/bios13060607.

[5]A QCM-D and SAXS Study of the Interaction of Functionalized Lyotropic Liquid Crystalline Lipid Nanoparticles with siRNA (シアRNAとの相互作用に関するQCM-DとSAXS研究)ChemBioChem 2017, 18 (10), 921–930。https://doi.org/10.1002/cbic.201600613.

[6]ヘルパー脂質構造はタンパク質吸収および脂質脂脂質ナノ粒子の脂脂質ナノ粒子のヘルヘルヘヘルパー脂質構造は脂脂脂質の吸収およびヘヘルパー脂質ナノ粒子のヘルバイオマター科学 2021, 9 (4), 1449–1463.
https://doi.org/10.1039/D0BM01609H.

[7] アストラゼネカ –血清タンパク質の脂質ナノ粒子への結合親和性のスクリーニング (Screening of the binding affinity of serum proteins to lipid nanoparticles in a cell-free environment)Journal of Colloid and Interface Science 2022, 610, 766-774。https://doi.org/10.1016/j.jcis.2021.11.117.

[8]吸入可能な脂質ポリマーハイブリッドナノ粒子と肺表面活性物の相互作用のメカニズムに関する洞察Journal of Colloid and Interface Science 2023, 633, 511-525。
https://doi.org/10.1016/j.jcis.2022.11.059.

[9]RNAとチトレータブル脂質層の相互作用：脂質ナノ粒子によるRNA配達に関する影響ナノスケール2024, 16 (2), 777–794。
https://doi.org/10.1039/D3NR03308B.

[10] ジェネンテック –シリコーンオイル・ウォーターインターフェースにおけるモノクローナル抗体の吸附と集積Mol. Pharmaceuticals 2021, 18 (4), 1656–1665.https://doi.org/10.1021/acs.molpharmaceut.0c01113.

[11] ブリストル・マイヤーズ・スクイブタンパク質-シリコーン油相互作用の機械的理解Pharm Res 2012, 29 (6), 1689–1697。
https://doi.org/10.1007/s11095-012-0696-6.

ブリストル・マイヤーズ・スクイブ (Bristol-Myers Squibb)製薬関連材料の表面でのポリプロピレン酸化物-ポリエチレン酸化物タイプの表面活性物質の吸収：表面エネルギーと表面活性物質構造の影響医薬品開発と技術 2019, 24 (1), 70-79.https://doi.org/10.1080/10837450.2018.1425431.

ブリストル・マイヤーズ・スクイブ (Bristol-Myers Squibb)マイクロフローイメージング、アーキメデス、および分散による石英結晶マイクロバランスを使用して事前に充填されたシリンジに保存されたタンパク質薬品の粒子特徴AAPS J 2017, 19 (1), 110–116。
https://doi.org/10.1208/s12248-016-9983-1.

[14] ファイザー –治療的免疫グロブリンのための粒子形成を最小限にするためのセラミックピストンポンプの設計：組み合わせた因子およびモデリングアプローチ。J Adv Manuf & Process 2023, 5 (1), e10142。
https://doi.org/10.1002/amp2.10142.

[15]抗体吸附と防水性表面の方向性Langmuir 2012, 28 (3), 1765–1774。
https://doi.org/10.1021/la203095p.

[16] アストラゼネカ–治療用融合タンパク質の安定性と品質に対する金属インターフェイスの影響Mol. 医薬品 2020, 17 (2), 569-578.https://doi.org/10.1021/acs.molpharmaceut.9b01000.

Janssen Pharmaceuticals（ジョンソン＆ジョンソン）静脈内タンパク質薬物管理における建設相互作用の薬物材料の予測ツールとしての石英結晶マイクロバランスJournal of Pharmaceutical Sciences 2023, 112 (12), 3154-3163。https://doi.org/10.1016/j.xphs.2023.07.019.

[18] エライ・リリー石英結晶微バランスにより特徴付けられたモノクロナル抗体の表面相互作用：消消水性とタンパク質自己相互作用の影響Journal of Pharmaceutical Sciences 2012, 101 (2), 519-529。
https://doi.org/10.1002/jps.22771.

ブリストル・マイヤーズ・スクイブ (Bristol-Myers Squibb)タンパク質のインターフェース不安定性が生物製品の開発に与える影響についての概要薬品開発中のインターフェイスのタンパク質の不安定性Li、J.、Krause、M.E.、Tu、R.、編集。AAPS製薬科学シリーズの進歩 2021;Vol. 43, pp. 1–8.
https://doi.org/10.1007/978-3-030-57177-1_1.

[20] ノバルティス・ファーマ –In vitroIn vitroIn In vitro tear film modelにおける再組み合わせ人再再再組み合わせられたヒトの再再再再組み合わせられたIn In In In In vitroIn In In vitroIn In In In In vitroIn In In In vitroIn In vitroIn vitroIn vitrコロイドと表面B：バイオインターフェース2020、195、111257。https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2020.111257.

[21]消散モニタリング付き電化学石英結晶マイクロバランスを使用したプラズマからの外体のデュアルモードおよびラベルフリー検出アナル。化学 2022, 94 (5), 2465–2475. https://doi.org/10.1021/acs.analchem.1c04282.

[22]アプタマー機能化された金ナノ粒子に基づくタンパク質のための拡張されたQCM-DバイオセンサーBiosensors and Bioelectronics 2010, 26 (2), 575-579。https://doi.org/10.1016/j.bios.2010.07.034.

[23]ヒトCD4+細胞のセンサーとして評価された生物活性化されたPDMSマイクロチャンネル - HIV監視のためのポイント・オブ・ケア方法の概念センサーとアクチュエーターB：化学2007、123（2）、847-855。
https://doi.org/10.1016/j.snb.2006.10.034.

[24]Apolipoprotein E Binding Drives Structural and Compositional Rearrangement of mRNA-Containing Lipid Nanoparticles（アポリポタンパク質E結合はmRNAを含む脂質ナノ粒子の構造と構成の再配置を促進する）ACS Nano 2021, 15 (4), 6709–6722。https://doi.org/10.1021/acsnano.0c10064.

[25]負荷脂質ナノ粒子の保管および輸送のためのナノパッケージングの開発。ナノ・レット 2023, 23 (14), 6760–6767.
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c01271.

[26]核酸配達のための脂質ナノ粒子の開発を指導する構造設計のレビュー。Colloid & Interface Science 2023, 66, 101705の現在の意見。https://doi.org/10.1016/j.cocis.2023.101705.

[27]「QCM-D Investigations on Cholesterol-DNA Tethering of Liposomes to Microbubbles for Therapy」J・フィス。化学B 2023, 127 (11), 2466–2474。
https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.2c07256.

[28]脂質ベースの立方ナノ粒子の安定剤としての熱応答性脂親性NIPAMベースのブロック共聚物。コロイドと表面B：バイオインターフェース2022、220、112884。https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2022.112884.

［バイオ界面/バイオフィルム］

脂質構造に基づく世界を模索していますか。

脂質構造に基づくバイオフィルムやリポソームなどは、多くの分野の研究に広く応用されている。例えば、新しいバイオセンサシステムの設計及び開発、生体材料コーティング及び薬物輸送システムにおいて、これらの構造は不活性表面、生体適合性の表面、細胞膜模倣又は輸送担体などとして使用される。

バイオフィルムの研究では、2つの方法が利用できる。空気−水界面に浮遊する生体膜モデル構造を形成することができ、細胞環境の特性と条件をシミュレートすることができます。

別の方法は、固体基板上に支持されたバイオフィルムまたは脂肪族構造を形成することである。支持される脂質二重層は、脂質層が表面に堆積し、異なる分子または埋め込み膜タンパク質として標識される可能性がある予め定められた脂質比率からなる。これらのフィルムは、生物学的プロセスを理解し、生物学的材料として製造するための重要な要素として役立つことができる。また、バイオセンサ設計やリガンドなどの様々な生物や合成分子、DNA、ナノ粒子、ポリマー、または他の脂質構造の相互作用。

ナノ薬物の設計と開発において、脂質を基礎とするナノ構造は薬物輸送の血管と標的性担体とすることができる。興味のある薬物を嚢胞またはミセル構造に埋め込み、特定の環境条件に適合し、毒性の安定と減少、循環時間の延長、放出率の制御、組織標的の改善などの面で薬物保護を強化する。

浮遊バイオフィルムモデル

ほとんどの生化学反応は細胞膜の周囲または細胞内のリン脂質二層膜で発生する。細胞膜はタンパク質の折り畳みに影響を与え、反応する特定の微小環境を生成する。実際の生物系を理解し、シミュレーションするには、自然条件をシミュレーションする環境でこれらの相互作用を研究する必要があります。膜リン脂質のラングミュア単分子膜は良好な生体膜モデルシステムであることが確認された。

ラングミュア単層リン脂質膜は半生物膜に似ており、モデル細胞膜として使用でき、文献により生物系の優れたモデルであることが確認されている。自由に浮遊する単分子層では、分子の拡散と動力学は実際のシステムにおけるそれらの役割に近い。自然界では、ほとんどの生化学反応が生膜界面で発生し、自由に浮遊するモデル膜は分子の自然拡散と移動を可能にする。細胞生体膜を研究するために、Langmuir膜解析器はLangmuir膜天秤以外の様々なセンサや機器と結合することができる。他の研究技術としては、PM−IRRAS、BAM、SPOT、蛍光顕微鏡、および従来の顕微鏡が挙げられ、これにより、単分子層における分子の相互作用、分子局在、堆積、およびマイクロ領域形成の研究が可能になる。

肺界面活性剤の挙動を模擬する

肺界面活性剤は肺の肺胞を覆い、呼吸を容易にする過程で重要な役割を果たしている。吸入中、界面活性剤は組織の表面張力を約15倍低下させ、肺胞の膨張を容易にした。呼気時には、肺胞の表面積が減少し、界面活性剤が表面に集中するようになった。呼気終了時にゼロに近い表面張力が発生し、肺胞の崩壊を防ぐことができる。

ジパルミトイルホスファチジルコリン（DPPC）は肺胞表面に存在するリン脂質である。DPPCの高度に規則化された固相は呼気時に肺胞のほぼゼロ表面張力を維持する。肺胞中の実際の界面活性剤挙動をシミュレートするためには、近零表面張力下で測定する必要がある。研究により、KSV NIMA Langmuirリボンスリップバリア膜解析器を用いてDPPCのゼロ近傍表面張力を測定することができることが明らかになった。

応用ダイジェスト：リボン滑り障壁膜分析計を用いて高い単分子層表面圧を達成する：表面張力がゼロに近い時の肺界面活性剤

支持脂質構造の構築

Langmuir−blodgett（LB）とLangmuir−Schaefer（LS）含浸は2つの異なる脂質組成のリン脂質二重層リン脂質の製造方法である。LBとLS法を組み合わせて、脂質組成非対称リン脂質二分子層を作成することもできる。例えば、表面プラズモン共鳴分光法、石英結晶微小平衡測定、X線光電子分光法のためにいくつかの生化学センサを作製することができる。第3の方法はQCM-D設置において、嚢胞の破裂と融合により、支持されたリン脂質二層を直接表面上に製造することである。

支持バイオフィルム-製造と特性評価

私たちが支持されているバイオフィルム、リポソーム、またはその他の脂質系構造を処理するにしても、QSense QCM-Dを使用して表面上で関連吸収と放出プロセスを特徴づけ、検証することができ、これは脂質系系を理解し、調整し、最適化する上で非常に重要である。例えば、支持脂質膜の形成動力学を表面で監視し、形成された二層膜の品質を評価することができる。その後の脂質膜との相互作用、例えば膜結合分子の摂取または結合、またはその欠陥部分の検証も監視することができる。ナノ医学の背景の下で、脂質を基礎とするナノ構造の吸収、伝達、放出過程を特徴づけることができ、薬物伝達を標的とする血管とすることができる。

［生体界面／生体分子相互作用］

生物分子相互作用の分析は多くの学科分野の焦点であり、生物化学と生物技術から医薬科学に至る。基礎科学と応用研究と開発の焦点であり、生体分子相互作用研究の目標は純粋に知識を獲得し、生体システムと機能を理解することから、得られた知識を用いて薬物、生体センサの設計、および私たちの生活の質を高める技術に応用することである。

生体分子相互作用の基本的理解

例えば、基礎と応用研究において、脂質蛋白質と蛋白質-リガンド相互作用機構の基本的な認識は1つの目標であり、これらの研究において、これらのシステムは生体分子相互作用過程を研究し、特徴づける。

QSense QCM-Dは結合と相互作用動力学、分子層の構造変化などの生体分子相互作用をリアルタイムで検出し、監視する方法である。この方法は、目標相互作用機構及びリガンド構造変化の理解を高めるために使用されている。タンパク質の折り畳みの乱れ、ポリペプチドが集まって成長する細い繊維、アミロイド構造など、分子の行動や病気の原因を探るためにも使われています。

自然界ではほとんどの生化学反応がリン脂質二層膜または細胞内の細胞膜上で発生するため、膜はタンパク質の折り畳みに影響を与え、反応が発生する特定の微環境を作り出す。実際の生物系を理解し、シミュレーションするには、自然条件をシミュレーションする環境でこれらの相互作用を研究する必要があります。膜リン脂質のラングミュア単分子膜は生体膜の優れたモデル系であることが確認された。薬物探索において、薬物が細胞壁を通じて細胞に浸透し、薬物と細胞膜の反応が薬物伝達の重要な要素であることが分かった。これらは、薬物と浮遊生物膜モデルとの相互作用を研究することによって評価することができる。食品工業においては、アレルギー性タンパク質の除去が非常に重要であり、分子レベルの研究によってより深い理解を得ることができる。

応用ダイジェスト：細胞膜モデルにおける生体分子の相互作用。

応用研究と開発中の生体分子相互作用分析

生体分子相互作用挙動の分野の知識が確立されると、これらの新しい情報が使用される可能性がある。応用科学では、例えば、薬物探索、ナノ毒性学、またはバイオセンサの設計において、生体分子の相互作用が重要であり、これらの知識は新しい化合物の目標を決定し、潜在的な新しい候補薬物を検出するために使用することができる。

このような背景の下で、QSense QCM-Dは蛋白質と蛋白質とDNAの相互作用を分析し、抗体-抗原の相互作用を検出するために用いられる。QCM-Dは小分子結合蛋白質後の三次構造の立体配座変化に非常に敏感であり、薬物化合物の設計、検証、最適化に用いることができる。例えば、アミロイド成長抑制剤の影響を研究し、核酸受容体の立体配座影響を研究し、化合物と細胞との相互作用と蛋白質薬物標的をスクリーニングする。

生体分子相互作用の知識は、生体センサおよび検出システムを設計するためにも使用することができ、そこで生体挙動が模倣され、使用され、例えば、疾患を検出および診断する。

ナノ粒子の毒性

ナノ粒子（NP）は現在、化粧品、塗料、塗料など多くの異なる業界に応用されている。そこで、ナノ粒子の毒性について深く研究した。その巨大な比表面積のため、吸い込まれたナノ粒子は呼吸器系の肺炎症と不良免疫反応を誘導することができる。

Langmuir膜分析器はナノ粒子が脂質膜に与える影響を研究するために1種の良いというツールがあります。天然肺界面活性剤（Infasurf）の等温圧縮曲線に対する1 wt%ヒドロキシアパタイトナノ粒子の影響を研究した。ナノ粒子と接触した後、左側の等温圧縮曲線には明らかな時間依存移動があり、これは界面活性剤の抑制作用を示している。

ACS Nano 2011, 5(8)， 6410-6416。2011米国化学学会著作権所有。（許可）

[機能面/センサ]

今の社会に生きるには、情報と予測性が非常に重視されており、私たちは周囲の環境のさまざまな側面を検出、検出、測定するために大量のセンサーを中心にしています。毎日収集される情報量は非常に多く、温度、気圧、光強度、または有毒物質はその一部の例にすぎない。

収集されたデータは、外出時に追加のセーターを持っていくかどうかを決めるための情報や生活の利便性を提供するだけであることがあります。しかし、圧力値が事前に設定された最大値と最小値に保たれているかどうかを確認するなど、調整と制御が必要かどうかを決定するために使用することもできます。各センサタイプは特定の検出方法に基づいており、関心のあるパラメータを監視することができる。

バイオセンサはセンサのサブクラスである。バイオセンサは、受容体と結合した標的物などの自然界によって設計された生体識別システムを用いて検出する。そして、これらの情報は変換され、読み取り値が収集されます。導電性ポリマーに基づくセンサは、その高いの応用潜在力について深く研究されている。Langmuir−Blodgett技術は高度に組み立てられた制御可能な厚さのフィルムを生産することができ、したがってセンサ用途にも使用されている。これらのセンサは、ガスセンサおよび溶液中の微量抗生物質の検出に使用されている。異なる検出手段は光学検出から電気伝導度測定まで応用されている。

音響バイオセンサとしてのQSense QCM−D

バイオセンサは医療応用、食品工業、国防など多くの分野に応用されている。生体認証素子に加えて、生体センサは、生体認証を検出することができるセンサと、解釈可能な信号読出しとの2つの部分を含む。センサは異なる原理に基づくことができる。一般的なセンサ原理は、石英結晶微量天秤（QCM）のような音響センシングである。圧電原理に基づいて検出するQCM技術はバイオセンシングの1つの方法であり、バイオセンサの開発と応用に数十年使用されている。

広く伝えられ詳細な音響バイオセンサの総説が詳述されているように、バイオセンサの生体検出システムは抗体、タンパク質、DNA、細胞、脂質構造、炭水化物、ナノ粒子などを設計し、関連モジュールを構築する。構築モジュールと識別コンポーネントの範囲は小さいものから大きいものまでで、重金属イオンとDNAのハイブリダイゼーションから細胞の付着、増殖と成長、細胞の外部刺激への応答を検出することができます。潜在的な検出システムの範囲は非常に広く、感度と選択性を高めるためにセンサインタフェース処理戦略を絶えず探索している。

導電性ポリマーベースセンサ

小型化設備がますます重視されるにつれて、新たに開発されたナノ材料はこの分野をさらに発展させることができる。このような材料の多くの製造は、従来のマイクロ製造方法ではなく、いくつかの新興技術を使用している。

ポリアニリン、ポリチオフェン、ポリピロール、およびその誘導体などの導電性ポリマーは、ガスセンサの活性層として使用され、酵素バイオセンサを固定化するための製造として使用されている。導電性ポリマーから作られたセンサは、高感度で応答時間が短いなど、多くの優れた特性を持っている。導電性ポリマーも合成しやすく、良好な機械的特性を有する。LB膜分析器は、大きな面積の高制御導電性ポリマー薄膜を製造するために使用することができる。

[機能面/生物機能材料]

人類全体の歴史の中で、人々は損傷したり病気になったりした体の部位を交換したり修復したりして、その機能を修復し回復しようとしている。一般的には、使用可能性に応じてインプラント材料を選択します。近代暦史生物適合性概念の提案及び関連研究の深化に伴い、生物適合性も重要な選択指標の一つとして、我々は新しいモデルと次世代生物材料の曙光を見る際にあるかもしれない。

暦史早の修復と身体部位の置換の記録は数千年前1にさかのぼることができる。その際、生体適合性や滅菌の概念は提案されていない。人間の歴史を見ると、体の部位の代替品として使われている材料は時期によって異なる。マヤ時代の海の貝殻から第二次世界大戦後の英雄時代のポリマー、金属、セラミックスなどの既製材料、さらに生物適合性に基づいて設計された現代工学材料、例えばシリコーン、ヒドロゲル、ヒドロキシアパタイトなどがある。現在は次世代バイオマテリアルも開発中です。次世代材料は良好な生体適合性を持つだけでなく、一定の機能性も持っている。これらの材料は、生理環境を調整し、制御し、組織修復などの誘導応答性を有するようにすることができる。

超分子及び生物活性材料

生体統合に成功したインプラントは、欠損した組織の構造を複製することにより、欠損した身体部位を効果的に修復することができる。しかし、インプラント材料が人体に適合されても、長期合併症と組織機能が永遠に失われる可能性がある。組織再生や修復反応などの相互作用を誘導することで生体活性コーティングが身体機能を回復することが予見されており、その作業はすでに進行中である。これらの生物機能材料は、タンパク質、ペプチド、または薬物などの生体分子を埋め込むことによって機能化するポリマー、合成膜、または他のナノスケール集合体である超分子ナノ構造を刺激応答するように設計される。これらの材料の機能は応答性と予測性を持ち、設計目的は周囲の生理環境を感知し、応答することであり、制御の良い表面を提供することができる。これらの超分子系および材料は、組織工学および再生医学におけるインプラントコーティングとしてだけでなく、刺激応答性薬物送達および免疫学のための薬物担体としても有用である。

超分子生物活性材料の設計と特性評価

これらの超分子ナノ構造は材料特性の修飾と調整に応用する潜在力があり、現在の生物医学的課題のいくつかを確実に解決することが期待され、次世代生物材料の地位を確立する可能性がある。

しかし、これらの生物活性材料を制御された方法で設計するためには、ナノスケールアセンブリの組み立てプロセスを理解し、異なる環境条件下での材料特性を特徴づける必要がある。QSense技術を用いて、リアルタイムで材料の組み立て状況を監視することができ、そして異なる塩濃度、温度、pH値と類似の環境パラメータが材料構造に与える動態的な影響を特徴づけることができる。この技術はまた、例えば細胞接着及び伸張特性などの機能効果を評価することができる。

参考文献

生物材料科学、第3版。医学材料の概要

編集：Buddy Ratner.Allan Hoffman.Frederick Schoen.Jack Lemons，2012