Nanomedicine에 있는 물리학: AFM를 가진 Nanomaterials 그리고 생물 체계의 공용영역 그리고 기계적 성질

교수에 의하여 Sonia Contera

Sonia Contera 의 생물학 물리학에 있는 RCUK 학문적인 동료 교수 및 Nanomedicine 의 옥스포드 대학. 대응 저자: s.antoranzcontera1@physics.ox.ac.uk. 개인적인 웹사이트.

과거 십년간을 위해, 과학자와 엔지니어는 나노미터 가늠자에 사정의 속성에 증가 통제해 - nanoparticles와 nanostructures를 측정하고, 예상하고 구성하. 제조에서 에너지 생산 변형시키는 가능성으로와 접근 깨끗한 물에에 모두를 가지고있는 비발한 응용은 만들었습니다; 더 효과적인 오염 감소 및 예방; 더 강하고, 더 가볍고, 더 싼 물자. 나노 과학이 가장 상당한 충격의 1개를 만들 수 있던 지역은 약입니다.

왜 약에서 nano?

생활의 기본적인 빌딩 블록 - DNA 의 단백질, 지질 -는 nano 치수가 재진 시스템입니다. 분자 수준에 많은 생물학은 nm 가늠자에 일어납니다. DNA (직경 ~ 2nm)와 단백질 (전형적으로 ~ 3 - nm의 10)는, 효과적으로 기동전개에 의해 미조정된 복잡한 nanomachines이고, 건강에서 서로 그들의 기능, 그들의 운동, 그들의 기계공 및 그들의 상호 작용 및 질병은 나노 과학 공구와 더불어 공부되고, 표적으로 할 수 있습니다.

숫자 1. 규모 비교: nanoparticles와 생물 체계

나노 과학과 생물학의 이 컨버전스는 nanomedicine의 출현으로 이끌어 냈습니다. Nanomedicine는 단 하나 분자 수준을 도달할 수 있는 질병의 과격하게 향상한 연구, 진단 및 처리를 만드는 나노 과학의 사용 입니다. 나노 과학은 혁명, 우리가 질병을 취급하고 진단하는 쪽에 있는 패러다임 교대를 만드는 것을 돕고 있습니다; 현재 연구는 새로운 표적으로 한 약 납품 시스템 nanomaterials, 및 극단적으로 정확한 biosensing 장치와 같은 지역에 손상한 조직을 복구하기 위하여 집중합니다. Nanomedicine는 예를들면 척수 상해, 당뇨병, 심장병, Parkinson의 질병 및 암 취급을 위한 희망을 제안합니다.

nanomedicine의 Multidisiciplinarity

Nanomedicine는 nm 가늠자에 다른 과학의 컨버전스에서 일어납니다: 재료 과학, 물리학, 화학, 생물학, 기술설계, 등등. 이것은 배경 여러가지 과학자, 그리고 나노 과학을 사용하여 의료 문제를과 같은 "다루는 것을 시도하는 다른 기술 적이고 및 지적이는 기술로 nanoparticle를 가진 종양을 표적으로 하는 최고 쪽은?"인 무엇 이끌어 냅니다. nanomedicine의 도전은 화학자, 생물학자 및 물리학자의 지식을 최적 응답을 도달하기 위하여 통합하기 위한 것입니다.

이 필드에 1개의 중요한 기여금은 물리학에서 옵니다. 물리학자는 생물 체계를 가진 nanomaterials의 기본적인 상호 작용 - 상호 작용 (정전학, van der Waals 의 역동적인 복잡한 현상)를 모는 분자힘, 열역학, 액체를 가진 nanoparticle의 공용영역, 기계적 성질 (뻣뻣함, 신축성, 접착)의 역할을 확인하고 양을 정하는 것을 시도합니다. 목적은 기본적인 현상을 특정 의학 응용을 위한 nanoparticles의 합리적인 디자인이 가능하게 되다 그래야 이해하기 위한 것입니다.

물리학자의 관점에서, 생물 체계는 이용합니다 nm 치수가 재진 유생분자 (단백질, DNA…)의 물리 화학을 상세한 nanomechanical 속성 (접착, 뻣뻣함, 신축성)로 복잡한 기능을, 동 구조물은 만들기 위하여는, 공용영역과 기능적인 계층적인 편성부대를 맞추었습니다 (nm에에서 미크론 mm 가늠자에). 공용영역과 기계적 성질은 조직과 기관의 세포 분열에 DNA에 단백질의 바인딩에 막 채널 통신로의 선택성에서 생물학 기능을, 및 형태 형성 및 편성부대 가능하게 하는 기능적 구조를 조절합니다. 이 기능 전부는 질병 또는 외상에 의해 바꾸입니다.

게다가, 단백질과 같은 생물 체계 및 DNA는 nanomaterials와의 그들의 상호 작용을 제어할 주위 액체로 공용영역을 만들 것입니다; 세포는 세포 및 물자 둘 다의 기계적 성질 (예를들면 접착, 신축성)에 의해 조절될 그들의 공용영역에 상호 작용을 통해 인공 nanomaterials에 화학제품에, 뿐 아니라 기계적인 큐 (mechanotransduction)에 세포로 역동적으로 반작용합니다 반작용할 것입니다. 이 복잡한 이해해서, 동 구조물과 유형 자산은 현대 과학의 주요 도전의 한개이고 현대 nanomedicine, 생체 적합 물질 및 bioinspired/biomimetic 시스템에 과학적인 배경을 만들어 냅니다.

중요한 물리적인 매개변수 및 개념:

  • 공용영역
  • 분자힘
  • 기계적 성질 (접착, 신축성)
  • 역동성
  • nanochemistry
  • nanomechanics
  • mechanochemistry

양이 많은 측정

nanomaterial/생물학 중간 상호 작용을 제어하는 기본 공정의 조금 양이 많은 과학적 지식이 있습니다. 현재 가능한 기술로, 그것은 아주 도전적, 및 복잡한 생물학의와 nanostructured 물자가 생물학 액체로 설치하는 공용영역의 속성 세포의 기계적 성질의 지도로 나타내기 nm 가늠자에에 생리적인 액체에 있는 구조물의 nm에서 모든 관련된 매개변수의 필요한 양이 많은 정보를, 와 이하 nm 해결책 그리고 그들의 역동성, 유생분자 및 nanomaterials 장악하기위하여입니다.

우리의 일

숫자 2. Sonia Contera 용도 AFM는 기계적 성질의 양이 많은 측정 및 생리적인 조건에 있는 생물 체계의 공용영역을 위한 기술을 기지를 두었습니다
지난 몇년간에서 우리는 원자 군대 현미경에 근거를 둔 (AFM) 저희를 양이 많게 생리적인 액체를 가진 생물학 분자 그리고 구조물의 공용영역을 측정하는 가능하게 한 기술을 개발했습니다.

microcantilever가 표면 및 액체의 공용영역에 ~ 1 Å 진폭으로 다만 전류를 고주파로 변환시키는 비발한 작 진폭 방법을 가진 AFM를 사용하여, 우리는 이하 nm 계속 해결책을 가진 단단하 액체 접착 에너지를 측정할 수 있습니다 1. 이 기술을 사용하여 우리는 공용영역에 근해 구조물에 대한 막 단백질 (bacteriorhodopsin, 3 nm에 의하여 치수가 재지는 빛에 의하여 활성화되는 양성자 펌프) 측정 이오니아 효력의 복잡한 정전학의 양을 정했습니다 2. 아주 정확한 nanoindenter로 AFM 끝을 사용하여 우리는 단 하나 막 단백질의 뻣뻣함의 양을 정했습니다 3. 게다가 계속 우리는 막 단백질의 신축성이 그것의 공용영역 속성과 관련있다는 것을 보여줄 수 있습니다 2. (Kanazawa 대학에 Toshio ando와 동료가 개발하는) 고속 AFM 기술을 사용하여 그 결합 이하 nm 해결책은을 가진 50 frames/s에 가속화합니다, 우리는 단백질의 양수 도중 bacteriorhodopsin의 역동성을 공부하고 4, 5 막 내의 단백질 기능이 이웃 단백질로 연결을 어떻게 관련시키는지 보여주었습니다 5. 우리는 해결책, 막 단백질에 묶는 이온에 있는 단 하나 원자를 해결하는 1해결책에 있는 AFM의 해결책을 증가하고 DNA 두 배 나선을 해결할 수 있습니다 이었습니다. 최근에, 최신식 다주파 AFM를 사용하여 우리는 양이 많게 계속 전례가 없는 속도 및 정확도를 가진 생세포의 nanomechanical 속성을 지도로 나타낼 수 있습니다 6; 이것은 다른 문맥에 있는 세포 nanomechanical 반응을 결정하는 기본적인 기계장치를 공부하게 가능하게 할 것입니다. 우리는 공용영역, 역동성 및 기계적 성질이 실제로 서로 관계를 가진다는 것을 유생분자의 상호 작용을 위한 이 속성의 관련성 및 표면 및 우리와 가진 세포가 보여주었다는 것을 보여주었습니다 2.

nanomedicine에 기본적인 물리학의 응용

지금 우리는 이 지식 및 제어 인터페이스 및 기계적 성질에 의하여 선택성과 biocompatibility를 가능하게 하는 조직 재생을 위한 nanocomposites) 그리고 nanostructures 를 (nanostructure 기지를 둔 약 납품 시스템, 디자인하기 위하여 기술을 이용하고 있습니다.

  1. 기계공이 암에서 중요하다는 것은 보였습니다: 예를 들면 nanoparticles는 주위 혈관 (소위 EPR 효력)의 미분 기계적 성질을 사용하여 종양을 도달할 7수 있습니다. 우리의 목표는 뿐만 아니라 적당한 화학 또한 적당한 기계적 성질이 있는 nm 가늠자에 기계적 성질의 양을 정하는 우리의 기능을 사용하여 nanoparticles에는 디자인하기 위한 것입니다.
  2. 뼈 조직을 고치기 위하여 임플란트와 같은 생물 물자 응용에 있는 나노 과학 이용에 있는 성장하고 있는 관심사가 있습니다. 실제적인 조직의 그것에 좋은 구조상과 기계적인 일치를 제공하기 위하여 이용되기 수 있기 때문에 Bioinspired nanomaterials와 nanocomposites는 3D 조직에서 각자 소집하는, (예를들면 심혼과 척수 조직에서 중요한) nanoscale 전기 전도도를 제공하고, 모이어티를 정의하는 임플란트 접착제 및 마이크로 컴퓨터/nanoenvironment-를 향상하고, 세포의 기능을 향상할 수 있습니다 치유 조직 재생 승진시킬 수 있습니다.

숫자 3., L Bugnicourt, S. Trigueros 및 미출판 S Contera에 의해 chitosan와 탄소 nanotubes의 nanocomposite를 사용하는 만드는 3D 비계의 SEM 심상.

우리는 탄소 nanotubes에 특히 흥미있습니다. 예를 들면, 탄소 nanotubes는 연약하 조직 막에서 관찰된 그것과 유사한 점성과 탄성을 지니는 행동을 보여줍니다, 그래서 잡종 생체 적합 물질의 Young 계수 그리고 장력 강도를 증가하기 위하여 이용될 수 있습니다.

탄소 nanotubes는 신경의 경작을 지원하기 위하여 보였습니다. 다른 기질에 이 nanotubes의 활용은 신경이 살아날기 수 전도성 nanostructure를 있을 것입니다 필요로 하기 것을 보이기 때문에, 세포 행동에 영향을 미치고 신경의 부착, 성장, 감별법 및 장기 생존을 승진시킬 수 있습니다. 탄소 nanotubes의 이점에도 불구하고 그(것)들은 몇몇 biocompatibility 문제점을 보여주었습니다. 우리는 통제되는 구조상과 기계적 성질과 더불어 탄소 nanotubes와 생물 고분자 물질의 nanocomposite 통신망을, 만들기를 위한 전략을 개발하고 있습니다. 우리는 nanocomposites가 예를들면 chitosan의 각자 집합 속성 그리고 biocompatibility를 사용해서 biocompatible 그리고 전기로 활성화되다는 것을이다는 것을 확인할 수 있었습니다. 8


참고

  1. Voitchovsky, K., JJ Kuna, SA Contera, E Tosatti, F Stellacci 의 subnanometre 해결책을 가진 단단하 액체 접착 에너지의 Direct 지도로 나타내기. 성격 나노 과학 2010년. 5(6): p. 401-405.
  2. Contera*, S.A., K. Voitchovsky, 및 J.F. Ryan 의 천연 extremophile 막의 표면에 통제되는 이오니아 응축. Nanoscale 2010년. 2(2): p. 222-229.
  3. Voitchovsky, K., S.A. Contera, 그 외 여러분 (2007년). "정전기와 입체 상호 작용 결정합니다 bacteriorhodopsin 단 하나 분자 생물 역학을."는 생물 물리학 전표 93(6): 2024-2037년.
  4. Yamashita, H., K. Voitchovsky, 그 외 여러분 (2009년). "고속 원자 군대 현미경 검사법에 의해 관찰되는 bacteriorhodopsin 제 2 결정의 역동성." 구조상 생물학 167(2)의 전표: 153-158.
  5. Voitchovsky, K., S.A. Contera, 그 외 여러분 (2009년). "고유한 막 단백질 bacteriorhodopsin의 기능에 있는 옆 연결 그리고 협력적인 역동성." 연약한 사정 5(24): 4899-4904.
  6. 라만, A., S. Trigueros, 그 외 여러분 (2011년). "살아있는 세포의 nanomechanical 속성을 다중 조화되는 원자 군대 현미경 검사법을 사용하는 지도로 나타내기." 성격 나노 과학 6(12): 809-814.
  7. Matsumura, Y. 및 H. Maeda (1986년). "암 화학요법에 있는 macromolecular 치료학을 위한 새로운 개념: 단백질과 antitumor 에이전트 smancs의 tumoritropic 축적의 기계장치." 암 Res 46 (12 Pt 1): 6387-6392.
  8. Bugnicourt, L., S. Trigueros, Chitosan의 물리 화학적인 속성을 사용하는 탄소 Nanotube 전극에 있는 Biocompatibility 그리고 회의를" 설계하는 SA Contera "고체 장치와 물자 2011년 의 절차, 아니오 5372.
Date Added: May 24, 2012 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 09:31

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