Physik in Nanomedicine: Schnittstellen und Mechanische Eigenschaften von Nanomaterials und von Biologischen Anlagen mit FLUGHANDBUCH

Durch Professor Sonia Contera

Professor Sonia Contera, Akademisches Gegenstück RCUK in der Biologischen Physik und Nanomedicine, Universität von Oxford. Entsprechender Autor: s.antoranzcontera1@physics.ox.ac.uk. Persönliche Website.

Für das letzte Jahrzehnt haben Wissenschaftler und Ingenieure zunehmende Regelung über den Eigenschaften des Stoffes an der nmschuppe gewonnen - nanoparticles und nanostructures messend, voraussagend und konstruierend. Neue Anwendungen sind erstellt worden, die das Potenzial haben, alles von Herstellung zu Energieerzeugung und Zugriff zum Trinkwasser umzuwandeln; effektivere Verschmutzungsreduzierung und -verhinderung; stärkere, hellere, billigere Materialien. Ein Bereich, in dem Nanotechnologie ein von den erheblichsten Auswirkungen machen könnte, ist Medizin.

Warum Nano in der Medizin?

Die grundlegenden Bausteine von lebens- DNS, Proteine, Lipide - sind Nano--groß Anlagen. Auf dem molekularen Niveau geschieht viel Biologie an der Nmschuppe. DNS (Durchmesser ~ 2nm) und Proteine (gewöhnlich ~ 3 - zehn nm), sind effektiv die komplexen nanomachines, die durch Entwicklung eingestellt werden, und ihre Funktion, ihre Bewegungen, ihre Mechaniker und ihre Interaktionen mit einander in der Gesundheit und Krankheit können, mit Nanotechnologiehilfsmitteln studiert werden und anvisiert werden.

Abbildung 1. Größenvergleich: nanoparticles und biologische Anlagen

Diese Konvergenz der Nanotechnologie und der Biologie hat zu das Auftauchen von nanomedicine geführt. Nanomedicine ist der Gebrauch von Nanotechnologie, radikal verbesserte Forschung, Diagnose und Behandlung der Krankheit zu erstellen, die die Einzelmolekül Stufe erreichen kann. Nanotechnologie hilft, eine Drehbewegung, einen Paradigmenwechsel zu erstellen auf die Art, die wir Krankheit behandeln und bestimmen; aktuelle Forschungsschwerpunkte auf Bereichen wie neuen gerichteten Medikamentenverabreichungsanlagen, zurückzustellen den Nanomaterials schädigten Gewebe und extrem genaue biosensing Einheiten. Nanomedicine bietet Hoffnung für die Behandlung z.B. von Rückenmarkverletzungen, von Diabetes, von Innerer Krankheit, von Parkinson-Krankheit und von Krebs an.

Multidisiciplinarity von nanomedicine

Nanomedicine ergibt sich aus der Konvergenz von verschiedenen Wissenschaften an der nm-Schuppe: Materialwissenschaft, Physik, Chemie, Biologie, Technik, Usw. Dieses führt zu Wissenschaftler mit verschiedenen Hintergründen und die verschiedenen technischen und intellektuellen Fähigkeiten und versucht, medizinische Probleme unter Verwendung der Nanotechnologie, wie anzugehen „was die beste Methode ist, einen Tumor mit einem Nanoparticle anzuvisieren?“. Die Herausforderung von nanomedicine ist, die Kenntnisse von Chemikern, von Biologen und von Physikern zu integrieren, um die optimale Antwort zu erreichen.

Ein wichtiger Beitrag zu diesem Bereich kommt von der Physik. Physiker versuchen, die grundlegenden Interaktionen von Nanomaterials mit biologischen Anlagen - die molekularen Kräfte, die die Interaktion (Elektrostatik, van treiben Der Waals, dynamische komplexe Phänomene), die Thermodynamik, die Schnittstelle des Nanoparticle mit der Flüssigkeit, die Rolle zu kennzeichnen und mengenmäßig zu bestimmen von mechanischen Eigenschaften (Steifheit, Elastizität, Beitritt). Das Lernziel ist, die grundlegenden Phänomene zu verstehen, damit rationale Auslegung von nanoparticles für eine spezifische medizinische Anwendung möglich wird.

Vom Gesichtspunkt eines Physikers nutzen biologische Anlagen die physikalische Chemie von nm-groß Biomolekülen aus (Proteine, DNS…) um komplexe Funktions-, dynamische Zellen mit ausführlichen nanomechanical Eigenschaften (Beitritt, Steifheit, Elastizität) zu erstellen, stellte Schnittstellen und eine hierarchische funktionelleinteilung her (von nm zu Mikron zu mm-Schuppen). Schnittstellen und mechanische Eigenschaften modulieren die Funktionszellen, die biologische Funktion, von der Selektivität eines Membrankanals, zur Schwergängigkeit eines Proteins zu DNS, zur Zellteilung und Morphogenese und die Einteilung von Geweben und von Organen aktivieren. Alle diese Funktionen werden durch Krankheit oder Trauma geändert.

Zusätzlich erstellen biologische Anlagen wie Proteine und DNS Schnittstellen mit den umgebenden Flüssigkeiten, die ihre Interaktionen mit Nanomaterials regeln; Zellen reagieren zu künstlichen Nanomaterials durch Interaktionen an ihren Schnittstellen, die durch mechanische Eigenschaften (z.B. Beitritt, Elastizität) der Zelle und des Materials moduliert werden, als Zellen reagieren dynamisch zur Chemikalie sowie zu den mechanischen Marken (mechanotransduction). Diese komplexen, ist dynamische Zellen und physikalische Eigenschaften Verstehend eine der Hauptherausforderungen der modernen Wissenschaft und setzt den wissenschaftlichen Hintergrund zum modernem nanomedicine, zu den Biosubstanzen und zu bioinspired-/biomimeticanlagen fest.

Körperliche Schlüsselparameter und Konzepte:

  • Schnittstellen
  • molekulare Kräfte
  • mechanische Eigenschaften (Beitritt, Elastizität)
  • Dynamik
  • nanochemistry
  • nanomechanics
  • mechanochemistry

Quantitatives Maß

Es gibt wenig quantitative wissenschaftliche Kenntnisse der grundlegenden Prozesse, die den Nanomaterial/die biologischen mittleren Interaktionen regeln. Mit zur Zeit verfügbaren Techniken ist es sehr schwierig, die notwendigen quantitativen Informationen aller relevanten Parameter, von Auflösung nm und Unternm von Zellen und ihre Dynamik in den physiologischen Flüssigkeiten, zum Abbilden von mechanischen Eigenschaften von Zellen, Biomoleküle und Nanomaterials an der nm-Schuppe einzuholen und Eigenschaften der Schnittstellen, die komplexe biologische und nanostructured Materialien mit biologischen Flüssigkeiten festlegen.

Unsere Arbeit

Abbildung 2. Gebrauch Sonia Contera FLUGHANDBUCH basierte Techniken für quantitatives Maß von mechanischen Eigenschaften und Schnittstellen von biologischen Anlagen in den physiologischen Bedingungen
In den letzten Jahren haben wir die Techniken entwickelt, die auf dem Atomkraftmikroskop basieren, (AFM) die uns aktiviert haben, die Schnittstellen von biologischen Molekülen und von Zellen mit physiologischen Flüssigkeiten quantitativ zu messen.

Unter Verwendung FLUGHANDBUCHS mit einer neuen Klein-amplitude Methode, in der ein microcantilever gerade mit ~ 1 Å Amplitude an der Schnittstelle der Oberfläche und der Flüssigkeit oszilliert wird, sind wir gewesen, die Festflüssigkeitsbeitrittsenergie mit Auflösung Unternm zu messen 1. Unter Verwendung dieser Technik bestimmten wir die komplexe Elektrostatik von messenden Ioneneffekten der Membranproteine (bacteriorhodopsin, eine nm sortierte Leuchte aktivierte Pumpe des Protons 3) auf die Wasserzelle an der Schnittstelle 2mengenmäßig. Unter Verwendung der FLUGHANDBUCH-Spitze als sehr genaues nanoindenter haben wir die Steifheit eines einzelnen Membranproteins mengenmäßig bestimmt 3. Außerdem sind wir in der Lage gewesen, zu zeigen, dass die Elastizität eines Membranproteins mit seinen Schnittstelleneigenschaften zusammenhängt 2. Unter Verwendung einer Hochgeschwindigkeits-FLUGHANDBUCH-Technik (entwickelt von ando und von Kollegen Toshio an Kanazawa-Universität) beschleunigt diese Mähdrescher Unternm-Auflösung mit zu 50 frames/s, haben wir die Dynamik von bacteriorhodopsin während des Pumpens von Proteinen studiert 4, 5 und gezeigt, wie Proteinfunktion innerhalb der Membran die Kupplung in benachbarte Proteine miteinbezieht 5. Wir haben die Auflösung von FLUGHANDBUCH in gelöster Form erhöht, einzelne Atome, ein 1Ion in gelöster Form zu lösen, das an ein Membranprotein bindet und in der Lage gewesen, das DNS-Doppelhelix zu lösen. Vor kurzem, unter Verwendung hochmodernen Mehrfrequenz-FLUGHANDBUCHS sind wir in der Lage gewesen, die nanomechanical Eigenschaften von lebenden Zellen mit beispielloser Drehzahl und Genauigkeit quantitativ abzubilden 6; dieses macht es möglich, die grundlegenden Vorrichtungen zu studieren, die Zell-nanomechanical Antwort in den verschiedenen Zusammenhängen bestimmen. Wir haben dargestellt, dass die Bedeutung dieser Eigenschaften für die Interaktion von Biomolekülen und die Zellen mit Oberflächen und uns gezeigt haben, dass Schnittstellen, Dynamik und mechanische Eigenschaften tatsächlich zusammengehangen werden 2.

Anwendung der grundlegenden Physik zum nanomedicine

Aktuell nutzen wir diese Kenntnisse und Techniken aus, um nanostructures (nanostructure-basierte Medikamentenverabreichungsanlagen und nanocomposites für Geweberegeneration) zu konstruieren die Selektivität und biocompatibility durch Steuerschnittstellen und mechanische Eigenschaften aktivieren.

  1. Es ist gezeigt worden, dass Mechaniker in Krebs von Bedeutung ist: zum Beispiel nanoparticles können Tumoren unter Verwendung der differenzialen mechanischen Eigenschaften der umgebenden Blutgefäße (der so genannte Effekt EFFEKTIVEN PARALLELWIDERSTANDS) 7erreichen. Unser Ziel ist, nanoparticles, die die nicht nur rechte Chemie aber auch die rechten mechanischen Eigenschaften haben, unter Verwendung unserer Fähigkeit zu konstruieren, mechanische Eigenschaften an der Nmschuppe mengenmäßig zu bestimmen.
  2. Es gibt wachsenden Zinsen, an, Nanotechnologie in den Biomaterialanwendungen wie Implantaten zu verwenden, um Knochengewebe zu reparieren. Nanomaterials und nanocomposites Bioinspired können zu heilen fördern und Geweberegeneration, weil sie verwendet werden können, um eine gute strukturelle und mechanische Anpassung an die des wirklichen Gewebes zur Verfügung zu stellen, können nanoscale elektrische Leitfähigkeit zur Verfügung stellen (wichtig in den Geweben des z.B. Inneren und des Rückenmarks), den Implantatskleber und -mikro/das nanoenvironment- verbessern, das Hälften definiert, und die Fähigkeit von Zellen verbessern, in den Geweben 3D selbst-zusammenzubauen.

Abbildung 3. SEM-Bild eines Gestells 3D hergestellt unter Verwendung eines nanocomposite von Chitosan und Kohlenstoff nanotubes, durch L Bugnicourt, S. Trigueros und S Contera, unveröffentlicht.

Wir sind an Kohlenstoff nanotubes besonders interessiert. Zum Beispiel zeigen Kohlenstoff nanotubes das viskoelastische Verhalten, das dem ähnlich ist, das in den Tissuemembranen beobachtet wird, also können sie verwendet werden, um das Elastizitätsmodul und die Dehnfestigkeit von hybriden Biosubstanzen zu erhöhen.

Kohlenstoff nanotubes sind gezeigt worden, um die Bearbeitung von Neuronen zu unterstützen. Konjugation dieser nanotubes zu den verschiedenen Substratflächen kann Zellverhalten beeinflussen und Anhang, Wachstum, Unterscheidung und langfristiges Überleben von Neuronen fördern, da Neuronen scheinen, ein leitfähiges nanostructure in der Lage sein zu müssen zu überleben. Trotz der Vorteile von Kohlenstoff nanotubes haben sie einige biocompatibility Punkte gezeigt. Wir entwickeln Strategien für das Erstellen von nanocomposite Netzen von Kohlenstoffnanotubes und -biopolymeren, mit esteuerten strukturellen und mechanischen Eigenschaften. Wir könnten garantieren, dass die nanocomposites biocompatible und elektrisch Active sind, indem sie die Selbstbaueigenschaften und das biocompatibility des z.B. Chitosans verwenden. 8


Bezüge

  1. Voitchovsky, K., JJ Kuna, SA Contera, E Tosatti, F Stellacci, Direct Abbilden der Festflüssigkeitsbeitrittsenergie mit subnanometre Auflösung. Natur Nanotechnologie, 2010. 5(6): P. 401-405.
  2. Contera*, S.A., K. Voitchovsky und J.F. Ryan, Esteuerte Ionenkondensation an der Oberfläche einer gediegenen extremophile Membran. Nanoscale, 2010. 2(2): P. 222-229.
  3. Voitchovsky, K., S.A. Contera, et al. (2007). „Elektrostatische und sterische Interaktionen bestimmen bacteriorhodopsin Einzelmolekül Biomechanik.“ Biophysikalischer Zapfen 93(6): 2024-2037.
  4. Yamashita, H., K. Voitchovsky, et al. (2009). „Dynamik bacteriorhodopsin 2D Kristalles beobachtet durch Hochgeschwindigkeitsatomkraftmikroskopie.“ Zapfen Struktureller Biologie 167(2): 153-158.
  5. Voitchovsky, K., S.A. Contera, et al. (2009). „Seitliche Kupplung und Genossenschaftsdynamik in der Funktion des gediegenen Membranprotein bacteriorhodopsin.“ Weicher Stoff 5(24): 4899-4904.
  6. Raman, A., S. Trigueros, et al. (2011). „Nanomechanical Eigenschaften von Livezellen unter Verwendung der multi-harmonischen Atomkraftmikroskopie Abbildend.“ Natur Nanotechnologie 6(12): 809-814.
  7. Matsumura, Y. und H. Maeda (1986). „Ein neues Konzept für makromolekulare Therapeutik in der Krebschemotherapie: Vorrichtung der tumoritropic Aufspeicherung der Proteine und der Antitumoragens smancs.“ Krebs Res 46 (12 Pint 1): 6387-6392.
  8. Bugnicourt, L., S. Trigueros, SA Contera „, das Biocompatibility und Einheit in Kohlenstoff Nanotube-Elektroden Unter Verwendung der Physikalisch-chemischen Eigenschaften des Chitosans“ Halbleiterbauelemente und Materialien 2011, Verfahren, Nr. 5372 Ausführt.
Date Added: May 24, 2012 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 09:21

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