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Nanomedicine の物理学: AFM が付いている Nanomaterials そして生物系のインターフェイスそして機械特性

教授によってソニア Contera

ソニア Contera の生物的物理学の RCUK の学術仲間教授および Nanomedicine のオックスフォード大学。 対応する著者: s.antoranzcontera1@physics.ox.ac.uk個人的なウェブサイト

過去ディケイドのために、科学者およびエンジニアはナノメーターのスケールで問題の特性の増加する制御を得ま - nanoparticles および nanostructures を測定し、予測し、そして組み立てます。 製造業からのエネルギー生産変形させる潜在性がおよびアクセスクリーンウォーターへのにすべてをある新しいアプリケーションは作成されました; より有効な汚染の減少および防止; より強く、より軽く、より安い材料。 ナノテクノロジーが最も相当な影響の 1 つを作ることができる領域は薬です。

なぜ薬で nano か。

人生の DNA の基本的なブロック、蛋白質、脂質 - nano サイズのシステムはあります。 分子レベルで多くの生物学は nm スケールで起こります。 DNA (直径の ~ 2nm) および蛋白質 (普通 ~ 3 - nm の 10) は、効果的に改革によって最適化される複雑な nanomachines であり健康の機能、動き、彼らの機械工および彼らの相互作用互いにおよび病気はナノテクノロジーのツールによって調査され、目標とすることができます。

図 1. サイズの比較: nanoparticles および生物系

ナノテクノロジーおよび生物学のこの収束は nanomedicine の出現の原因となりました。 Nanomedicine は単一分子のレベルに達することができる病気の根本的に改善された研究、診断および処置を作成するナノテクノロジーの使用です。 ナノテクノロジーは回転、私達が病気を扱い、診断する方法で範例シフトの作成を助けています; 現在の研究は新しい目標とされた薬物配達システム、 nanomaterials 傷つけられたティッシュを復元するためにおよび非常に正確な biosensing 装置のような領域に焦点を合わせます。 Nanomedicine は例えば脊髄の傷害、糖尿病、心臓病、パーキンソン病および癌を扱うための希望を提供します。

nanomedicine の Multidisiciplinarity

Nanomedicine は nm のスケールで異なった科学の収束から起こります: 物質科学、物理学、化学、生物学、工学、等。 これは異なった背景を持つ科学者、およびナノテクノロジーを使用して健康上の問題に、のような 「取り組むことを試みる異なった技術的で、知的な技術の nanoparticle が付いている腫瘍を目標とする最もよい方法はか」。である何原因となります。 nanomedicine の挑戦は最適の答えに達するために化学者、生物学者および物理学者の知識を統合することです。

このフィールドへの 1 つの重要な貢献は物理学から来ます。 物理学者は生物系が付いている nanomaterials の基本的な相互作用 - 相互作用 (静電気学、 van der Waals の動的で複雑な現象) を運転する分子力、熱力学、液体が付いている nanoparticle のインターフェイス、機械特性 (剛さ、伸縮性、付着) の役割を識別し、量を示すことを試みます。 目的は特定の医学アプリケーションのための nanoparticles の理性的なデザインが可能になるように基本的な現象を理解することです。

物理学者の視点から、生物系は開発します nm サイズの生体物質 (蛋白質、 DNA…) の物理化学を 詳しい nanomechanical 特性 (付着、剛さ、伸縮性) と複雑な機能、動的構造を作成するためには、インターフェイスおよび機能階層的な組織を合わせました (nm へのからミクロン mm のスケールへの)。 インターフェイスおよび機械特性はティッシュおよび器官の細胞分裂に DNA に蛋白質の結合に膜チャネルの選択率からの生物的機能を、および形態形成および構成可能にする機能的構造を調整します。 これらの機能すべては病気か外傷によって変わります。

さらに、蛋白質のような生物系および DNA は nanomaterials との相互作用を支配する周囲の液体とインターフェイスを作成します; セルはセルおよび材料両方の機械特性 (例えば付着、伸縮性) によって調整されるインターフェイスで相互作用によって人造の nanomaterials に化学薬品に、また機械手掛り (mechanotransduction) にセルとして動的に反応します反応します。 これらの複雑、動的構造および物理的性質は理解して現代科学の主要な挑戦の 1 つで、現代 nanomedicine、生体材料および bioinspired/biomimetic システムに科学的な背景を構成します。

主物理的なパラメータおよび概念:

  • インターフェイス
  • 分子力
  • 機械特性 (付着、伸縮性)
  • 原動力
  • nanochemistry
  • nanomechanics
  • mechanochemistry

量的な測定

nanomaterial/生物的中型の相互作用を支配する基本プロセスの少し量的な科学的知見があります。 現在利用できる技術によって nm のスケールで、生体物質および nanomaterials 得るために、それは非常に挑戦的および複雑な生物的のおよび nanostructured 材料が生物的液体によって確立するインターフェイスの特性セルの機械特性のマップに生理学的な液体の構造の nm からのすべての関連したパラメータの必要な定量的情報を、および副 nm 解像度そして原動力、です。

私達の作業

図 2. ソニア Contera の使用 AFM は機械特性の量的な測定および生理学的な条件の生物系のインターフェイスのための技術を基づかせていました
ここ数年間で私達は原子力の顕微鏡に基づいて (AFM)私達が量的に生理学的な液体が付いている生物的分子そして構造のインターフェイスを測定することを可能にした技術を開発しました。

microcantilever が表面および液体のインターフェイスの ~ 1 Å の振幅とちょうど振動する新しい小型振幅方法の AFM を使用して、私達は副 nm ずっと解像度の固体液体付着エネルギーを測定できます 1。 この技術を使用して私達はインターフェイスで水構造に対する膜蛋白質 (bacteriorhodopsin、 3 nm によって大きさで分類されるライトによって作動するプロトンポンプ) の測定のイオンの効果の複雑な静電気学の量を示しました 2。 非常に精密な nanoindenter として AFM の先端を使用して私達は単一の膜蛋白質の剛さの量を示しました 3。 なお私達は膜蛋白質の伸縮性がインターフェイス特性と関連していることを示せました 2。 高速 AFM の技術を使用して (金沢大学で Toshio の ando および同僚が開発する) そのコンバイン副 nm の解像度はとの 50 frames/s に高速化します、私達は蛋白質のポンプの間に bacteriorhodopsin の原動力を調査し、 4, 5 膜内の蛋白質機能が近隣蛋白質とカップリングをどのように含むか示しました 5。 私達は解決の AFM の解像度を解決、膜蛋白質に 1結合するイオンの単一原子を解決する高め、 DNA の二重螺旋形を解決してできるありました。 もっと最近、最新式の多重周波数 AFM を使用して私達は量的にずっと前例のない速度および正確さの生体細胞の nanomechanical 特性をマップできます 6; これは異なった文脈のセル nanomechanical 応答を定める基本的なメカニズムを調査することを可能にします。 私達はインターフェイス、原動力および機械特性が全く関連することを生体物質の相互作用のためのこれらの特性の検索能力および表面および私達が付いているセルが示したことを示しました 2

nanomedicine への基本的な物理学のアプリケーション

現在私達は制御インタフェースおよび機械特性によって選択率および biocompatibility を可能にするティッシュの再生のための nanocomposites) および nanostructures を (nanostructure ベースの薬物配達システム、設計するのにこの知識および技術を開発しています。

  1. 機械工が癌で重要であることが示されていました: 例えば nanoparticles は周囲の血管 (いわゆる EPR の効果) の差動機械特性を使用して腫瘍に達する 7ことができます。 私達の目標はただ右の化学しかしまた右の機械特性を、 nm スケールで機械特性の量を示す私達の機能を使用して持つため nanoparticles を設計することです。
  2. 骨のティッシュを修理するのにインプラントのような生物材料のアプリケーションでナノテクノロジーを使用することに成長する興味があります。 実質のティッシュのそれへのよい構造および機械一致を提供するのに使用することができるので Bioinspired の nanomaterials および nanocomposites は 3D ティッシュで自己組み立てる nanoscale の電気伝導率を (例えば中心および脊髄のティッシュで重要な) 提供し、一部分を定義するインプラント接着剤およびマイクロ/nanoenvironment- を改良しセルの機能を改善できます直ることをおよびティッシュの再生促進できます。

図 3.、 L Bugnicourt、出版されていない S. トリゲロスおよび S Contera によってキトサンおよびカーボン nanotubes の nanocomposite を使用して作成される 3D 足場の SEM の画像。

私達はカーボン nanotubes に特に興味があります。 例えば、カーボン nanotubes はソフトティッシュの膜で観察されるそれに類似した粘弾性がある動作を示します、ハイブリッド生体材料のヤングの係数そして引張強さを高めるのに従って使用することができます。

カーボン nanotubes はニューロンの耕作をサポートするために示されていました。 異なった基板へのこれらの nanotubes の活用はニューロンは存続伝導性の nanostructure ができることを必要とするようであるのでセル動作に影響を与え、ニューロンの接続機構、成長、微分および長期存続を促進できます。 カーボン nanotubes の利点にもかかわらずそれらはある biocompatibility 問題を示しました。 私達は制御された構造および機械特性とカーボン nanotubes および生物高分子物質の nanocomposite ネットワークを、作成するための作戦を開発しています。 私達は nanocomposites が例えばキトサンことをの自己アセンブリ特性そして biocompatibility の使用による biocompatible そして電気でアクティブアクティブであることを保障できます。 8


参照

  1. Voitchovsky、 K.、 JJ Kuna、 SA Contera、 E Tosatti、 F Stellacci の subnanometre の解像度の固体液体付着エネルギーの Direct マップ。 性質のナノテクノロジー 2010 年。 5(6): p. 401-405。
  2. Contera*、 S.A.、 K. Voitchovsky、および J.F. ライアンのネイティブ extremophile 膜の表面の制御されたイオンの凝縮。 Nanoscale 2010 年。 2(2): p. 222-229。
  3. Voitchovsky、 K.、 S.A. Contera、等 (2007 年)。 「静電気および立体相互作用定めます bacteriorhodopsin の単一分子の生物力学を」。は 生物物理学ジャーナル 93(6): 2024-2037 年。
  4. Yamashita、 H.、 K. Voitchovsky、等 (2009 年)。 「高速原子力の顕微鏡検査によって観察される bacteriorhodopsin の第 2 水晶の原動力」。 構造生物学 167(2) のジャーナル: 153-158。
  5. Voitchovsky、 K.、 S.A. Contera、等 (2009 年)。 「ネイティブ膜蛋白質の bacteriorhodopsin の機能の側面カップリングそして協力的な原動力」。 柔らかい問題 5(24): 4899-4904。
  6. ラマン、 A.、 S. トリゲロス、等 (2011 年)。 「生きているセルの nanomechanical 特性を複数の調和的な原子力の顕微鏡検査を使用してマップします」。 性質のナノテクノロジー 6(12): 809-814。
  7. 松村、 Y. および H. Maeda (1986 年)。 「癌の化学療法の高分子 therapeutics のための新しい概念: 蛋白質および antitumor エージェントの smancs の tumoritropic 蓄積のメカニズム」。 蟹座 Res 46 (12 の Pt 1): 6387-6392。
  8. Bugnicourt、 L.、 S. トリゲロス、キトサンの物理化学的な特性を使用してカーボン Nanotube の電極の Biocompatibility そしてアセンブリを」設計する SA Contera 「ソリッドステート装置および材料 2011 年の進行、第 5372。
Date Added: May 24, 2012 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 09:28

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