Binding interactions of keratin-based hair fiber extract to gold, keratin, and BMP-2
| dc.creator | de Guzman, Roche C. | |
| dc.creator | Tsuda, Shanel M. | |
| dc.creator | Minh-Thi N. Ton | |
| dc.creator | Zhang, Xiao | |
| dc.creator | Esker, Alan R. | |
| dc.creator | Van Dyke, Mark E. | |
| dc.date.accessioned | 2026-02-02T21:23:05Z | |
| dc.date.created | 2015 | |
| dc.description.abstract | Hair-derived keratin biomaterials composed mostly of reduced keratin proteins (kerateines) have demonstrated their utility as carriers of biologics and drugs for tissue engineering. Electrostatic forces between negatively-charged keratins and biologic macromolecules allow for effective drug retention; attraction to positively-charged growth factors like bone morphogenetic protein 2 (BMP-2) has been used as a strategy for osteoinduction. In this study, the intermolecular surface and bulk interaction properties of kerateines were investigated. Thiol-rich kerateines were chemisorbed onto gold substrates to form an irreversible 2-nm rigid layer for surface plasmon resonance analysis. Kerateine-to-kerateine cohesion was observed in pH-neutral water with an equilibrium dissociation constant (KD) of 1.8 × 10−4 M, indicating that non-coulombic attractive forces (i.e. hydrophobic and van der Waals) were at work. The association of BMP-2 to kerateine was found to be greater (KD = 1.1 × 10−7 M), within the range of specific binding. Addition of salts (phosphate-buffered saline; PBS) shortened the Debye length or the electrostatic field influence which weakened the kerateine-BMP-2 binding (KD = 3.2 × 10−5 M). BMP-2 in bulk kerateine gels provided a limited release in PBS (~ 10% dissociation in 4 weeks), suggesting that electrostatic intermolecular attraction was significant to retain BMP-2 within the keratin matrix. Complete dissociation between kerateine and BMP-2 occurred when the PBS pH was lowered (to 4.5), below the keratin isoelectric point of 5.3. This phenomenon can be attributed to the protonation of keratin at a lower pH, leading to positive-positive repulsion. Therefore, the dynamics of kerateine-BMP-2 binding is highly dependent on pH and salt concentration, as well as on BMP-2 solubility at different pH and molarity. The study findings may contribute to our understanding of the release kinetics of drugs from keratin biomaterials and allow for the development of better, more clinically relevant BMP-2-conjugated systems for bone repair and regeneration. | |
| dc.description.abstractenglish | Los biomateriales de queratina derivados del cabello, compuestos principalmente por proteínas de queratina reducida (querateínas), han demostrado su utilidad como transportadores de productos biológicos y fármacos para la ingeniería de tejidos. Las fuerzas electrostáticas entre las queratinas con carga negativa y las macromoléculas biológicas permiten una retención eficaz de los fármacos; la atracción por factores de crecimiento con carga positiva, como la proteína morfogenética ósea 2 (BMP-2), se ha utilizado como estrategia para la osteoinducción. En este estudio, se investigaron las propiedades de interacción intermolecular superficial y en masa de las querateínas. Las querateínas ricas en tiol se quimisorbieron sobre sustratos de oro para formar una capa rígida irreversible de 2 nm para el análisis de resonancia de plasmones superficiales. Se observó cohesión entre querateínas en agua con pH neutro con una constante de disociación en equilibrio (KD) de 1,8 × 10−4 M, lo que indica la presencia de fuerzas de atracción no culómbicas (es decir, hidrófobas y de van der Waals). Se encontró que la asociación de BMP-2 a querateína era mayor (KD = 1,1 × 10−7 M), dentro del rango de unión específica. La adición de sales (solución salina tamponada con fosfato; PBS) acortó la longitud de Debye o la influencia del campo electrostático que debilitó la unión querateína-BMP-2 (KD = 3,2 × 10−5 M). BMP-2 en geles de querateína a granel proporcionó una liberación limitada en PBS (~ 10% de disociación en 4 semanas), lo que sugiere que la atracción intermolecular electrostática fue significativa para retener BMP-2 dentro de la matriz de queratina. La disociación completa entre querateína y BMP-2 ocurrió cuando el pH de PBS se redujo (a 4,5), por debajo del punto isoeléctrico de queratina de 5,3. Este fenómeno puede atribuirse a la protonación de queratina a un pH más bajo, lo que conduce a una repulsión positiva-positiva. Por lo tanto, la dinámica de la unión de la queratina a la BMP-2 depende en gran medida del pH y la concentración salina, así como de la solubilidad de la BMP-2 a diferentes pH y molaridades. Los hallazgos del estudio podrían contribuir a nuestra comprensión de la cinética de liberación de fármacos a partir de biomateriales de queratina y permitir el desarrollo de sistemas conjugados con BMP-2 más eficaces y clínicamente relevantes para la reparación y regeneración ósea. | |
| dc.format.extent | 1 página | |
| dc.format.mimetype | text/html | |
| dc.identifier.other | https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0137233 | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/20.500.12010/39018 | |
| dc.language.iso | en_US | |
| dc.rights.accessrights | info:eu-repo/semantics/openAccess | |
| dc.rights.local | Abierto (Texto Completo) | |
| dc.subject | Biomateriales | |
| dc.subject | Queratinas | |
| dc.subject.keyword | Biomaterials - Medical Applications | |
| dc.subject.keyword | Drugs | |
| dc.subject.keyword | Tissue engineering | |
| dc.subject.lemb | Biomateriales - Aplicaciones médicas | |
| dc.subject.lemb | Fármacos | |
| dc.subject.lemb | Ingeniería de tejidos | |
| dc.title | Binding interactions of keratin-based hair fiber extract to gold, keratin, and BMP-2 | |
| dc.type.coar | http://purl.org/coar/resource_type/c_6501 |
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