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Física em Nanomedicine: Relações e Propriedades Mecânicas dos Nanomaterials e de Sistemas Biológicos com AFM

Pelo Professor Sonia Contera

Professor Sonia Contera, Companheiro Académico de RCUK na Física Biológica e Nanomedicine, Universidade de Oxford. Autor Correspondente: s.antoranzcontera1@physics.ox.ac.uk. Web site Pessoal.

Para a década passada, os cientistas e os coordenadores têm ganhado o controle crescente sobre as propriedades da matéria na escala do nanômetro - medindo, prevendo e construindo nanoparticles e nanostructures. As aplicações Novas foram criadas que têm o potencial transformar tudo da fabricação à produção energética e ao acesso à agua potável; redução e prevenção mais eficazes da poluição; materiais mais fortes, mais claros, mais baratos. Uma área onde a nanotecnologia poderia fazer um dos impactos os mais substanciais é medicina.

Por Que nano na medicina?

Os blocos de apartamentos fundamentais de vida - ADN, proteínas, lipidos - são sistemas nano-feitos sob medida. A nível molecular muita biologia acontece na nanômetro-escala. O ADN (~ 2nm do diâmetro) e as proteínas (tipicamente ~ 3 - dez do nanômetro), são eficazmente nanomachines complexos ajustados pela evolução, e sua função, seus movimentos, seus mecânicos e suas interacções um com o otro na saúde e a doença podem ser estudados, e visado, com ferramentas da nanotecnologia.

Figura 1. comparação do Tamanho: nanoparticles e sistemas biológicos

Esta convergência da nanotecnologia e da biologia conduziu à emergência do nanomedicine. Nanomedicine é o uso da nanotecnologia criar a pesquisa, o diagnóstico e o tratamento radical melhorados da doença que pode alcançar o nível da único-molécula. A Nanotecnologia está ajudando a criar uma revolução, uma SHIFT do paradigma na maneira que nós tratamos e diagnosticamos a doença; a pesquisa actual centra-se sobre áreas tais como sistemas visados novos da droga-entrega, nanomaterials para restaurar tecidos danificados, e dispositivos biosensing extremamente exactos. Nanomedicine oferece a esperança para tratar por exemplo os ferimentos da medula espinal, o diabetes, a doença cardíaca, a doença de Parkinson e o cancro.

Multidisiciplinarity do nanomedicine

Nanomedicine elevara da convergência de ciências diferentes na escala do nanômetro: ciência de materiais, física, química, biologia, engenharia, Etc. Isto conduz aos cientistas com fundos diferentes, e às habilidades técnicas e intelectuais diferentes, tentando abordar problemas médicos usando a nanotecnologia, como “o que é a melhor maneira de visar um tumor com um nanoparticle?”. O desafio do nanomedicine é integrar o conhecimento dos químicos, dos biólogos e dos físicos para alcançar a resposta óptima.

Uma contribuição importante para este campo vem da física. Os Físicos tentam identificar e determinar as interacções básicas dos nanomaterials com sistemas biológicos - as forças moleculars que conduzem a interacção (electrostática, camionete der Waals, fenômenos complexos dinâmicos), o termodinâmica, a relação do nanoparticle com o líquido, o papel de propriedades mecânicas (rigidez, elasticidade, adesão). O objetivo é compreender os fenômenos básicos de modo que o projecto racional dos nanoparticles para uma aplicação médica específica se torne possível.

Do ponto de vista de um físico, os sistemas biológicos exploram a química física de biomoléculas nanômetro-feitas sob medida (proteínas, o ADN…) para criar estruturas funcionais, dinâmicas complexas com as propriedades nanomechanical detalhadas (adesão, rigidez, elasticidade), costurou relações e uma organização hierárquica funcional (do nanômetro ao mícron às escalas do milímetro). As Relações e as propriedades mecânicas modulam as estruturas funcionais que permitem a função biológica, da selectividade de um canal da membrana, ao emperramento de uma proteína ao ADN, à divisão de pilha e a morfogênese e a organização dos tecidos e dos órgãos. Todas estas funções são alteradas pela doença ou pelo traumatismo.

Adicionalmente, os sistemas biológicos tais como proteínas e o ADN criarão relações com os líquidos circunvizinhos que governarão suas interacções com nanomaterials; as pilhas reagirão aos nanomaterials sintéticos com as interacções em suas relações que serão moduladas por propriedades mecânicas (por exemplo adesão, elasticidade) da pilha e do material, como pilhas reagem dinâmicamente ao produto químico, assim como às sugestões mecânicas (mechanotransduction). Compreendendo estes complexos, as estruturas dinâmicas e as propriedades físicas são um dos desafios principais da ciência moderna e constituem o fundo científico ao nanomedicine, aos matérias biológicos e aos sistemas modernos de bioinspired/biomimetic.

Parâmetros e conceitos físicos Chaves:

  • relações
  • forças moleculars
  • propriedades mecânicas (adesão, elasticidade)
  • dinâmica
  • nanochemistry
  • nanomechanics
  • mechanochemistry

Medida Quantitativa

Há pouco conhecimento científico quantitativo dos processos básicos que governam o nanomaterial/interacções médias biológicas. Com técnicas actualmente disponíveis, é muito desafiante obter a informação quantitativa necessária de todos os parâmetros relevantes, a definição de nanômetro e secundário-nanômetro das estruturas e a sua dinâmica em líquidos fisiológicos, ao traço de propriedades mecânicas das pilhas, as biomoléculas e os nanomaterials na escala do nanômetro, e as propriedades das relações que os materiais biológicos e nanostructured complexos estabelecem com líquidos biológicos.

Nosso trabalho

A Figura 2. usos AFM de Sonia Contera baseou técnicas para a medida quantitativa de propriedades mecânicas e as relações de sistemas biológicos em circunstâncias fisiológicos
Nos últimos anos nós desenvolvemos as técnicas baseadas no microscópio atômico da força (AFM) que nos permitiram de medir quantitativa as relações de moléculas e de estruturas biológicas com líquidos fisiológicos.

Usando o AFM com um método novo da pequeno-amplitude em que um microcantilever é oscilado apenas com amplitude do ~ 1 Å na relação da superfície e do líquido, nós pudemos medir a energia da adesão do contínuo-líquido com definição secundário-nanômetro 1. Usando esta técnica nós determinamos a electrostática complexa de efeitos iónicos de medição das proteínas da membrana (bacteriorhodopsin, uma bomba ativada luz feita sob medida nanômetro do protão 3) na estrutura da água na relação 2. Usando a ponta do AFM como um nanoindenter muito preciso nós determinamos a rigidez de uma única proteína da membrana 3. Além Disso nós pudemos mostrar que a elasticidade de uma proteína da membrana está relacionada a suas propriedades da relação 2. Usando uma técnica de alta velocidade do AFM (desenvolvida pelo ando e pelos colegas de Toshio na Universidade de Kanazawa) essa definição de secundário-nanômetro das ligas com acelera a 50 frames/s, nós estudamos a dinâmica do bacteriorhodopsin durante o bombeamento das proteínas 4, 5 e mostramos como a função da proteína dentro da membrana envolve o acoplamento com as proteínas vizinhas 5. Nós aumentamos a definição do AFM na solução resolver únicos átomos na solução 1, um íon que liga a uma proteína da membrana e pudemos resolver a dobro-hélice do ADN. Mais recentemente, usando o AFM multifrequency avançado nós pudemos traçar quantitativa as propriedades nanomechanical de pilhas vivas com velocidade e precisão inauditas 6; isto tornará possível estudar os mecanismos fundamentais que determinam a resposta nanomechanical da pilha em contextos diferentes. Nós mostramos que a importância destas propriedades para a interacção das biomoléculas e as pilhas com superfícies e nós mostraram que as relações, a dinâmica e as propriedades mecânicas estão relacionadas certamente 2.

Aplicação da física básica ao nanomedicine

Actualmente nós estamos explorando estes conhecimento e técnicas para projectar os nanostructures (sistemas nanostructure-baseados da droga-entrega, e os nanocomposites para a regeneração do tecido) que permitem a selectividade e o biocompatibility por relações de controlo e por propriedades mecânicas.

  1. Mostrou-se que os mecânicos importam no cancro: por exemplo os nanoparticles podem alcançar tumores usando as propriedades mecânicas diferenciais dos vasos sanguíneos circunvizinhos (o efeito assim chamado do EPR 7). Nosso alvo é projectar os nanoparticles que não somente para ter a química direita mas igualmente as propriedades mecânicas direitas, usando nossa capacidade para determinar propriedades mecânicas na nanômetro-escala.
  2. Há um interesse crescente em usar a nanotecnologia em bio aplicações dos materiais tais como implantes para reparar o tecido do osso. Os nanomaterials e os nanocomposites de Bioinspired podem promover curar e regeneração do tecido porque podem ser usados para fornecer uma boa harmonização estrutural e mecânica àquele do tecido real, podem fornecer a condutibilidade elétrica do nanoscale (importante em tecidos por exemplo do coração e da medula espinal), melhorar o adesivo e o micro do implante/nanoenvironment- que define partes, e melhorar a capacidade das pilhas auto-para montar nos tecidos 3D.

A Figura 3. imagem de SEM de um andaime 3D criou usando um nanocomposite de nanotubes do chitosano e do carbono, por L Bugnicourt, por S. Trigueros e por S Contera, não-publicado.

Nós estamos particularmente interessados em nanotubes do carbono. Por exemplo, os nanotubes do carbono mostram o comportamento viscoelastic similar àquele observado nas membranas do macio-tecido, assim que podem ser usados para aumentar o módulo e a resistência à tracção Young de matérias biológicos híbridos.

Os nanotubes do Carbono foram mostrados para apoiar o cultivo dos neurônios. A Conjugação destes nanotubes às carcaças diferentes pode afectar o comportamento da pilha e promover o acessório, o crescimento, a diferenciação e a sobrevivência a longo prazo dos neurônios, porque os neurônios parecem precisar um nanostructure condutor de poder sobreviver. Apesar das vantagens de nanotubes do carbono mostraram algumas edições do biocompatibility. Nós estamos desenvolvendo estratégias para criar redes do nanocomposite de nanotubes e de biopolymers do carbono, com as propriedades estruturais e mecânicas controladas. Nós poderíamos assegurar-se de que os nanocomposites fossem biocompatible e electricamente active usando as propriedades do auto-conjunto e o biocompatibility por exemplo do chitosano. 8


Referências

  1. Voitchovsky, K., JJ Kuna, SA Contera, E Tosatti, F Stellacci, traço Direct da energia da adesão do contínuo-líquido com definição do subnanometre. Nanotecnologia da Natureza, 2010. 5(6): p. 401-405.
  2. Contera*, S.A., K. Voitchovsky, e J.F. Ryan, condensação iónica Controlada na superfície de uma membrana extremophile nativa. Nanoscale, 2010. 2(2): p. 222-229.
  3. Voitchovsky, K., S.A. Contera, e outros (2007). “As interacções Electrostáticas e steric determinam a biomecânica da único-molécula do bacteriorhodopsin.” Jornal Biofísico 93(6): 2024-2037.
  4. Yamashita, H., K. Voitchovsky, e outros (2009). “Dinâmica cristal do bacteriorhodopsin do 2D observado pela microscopia atômica de alta velocidade da força.” Jornal da Biologia Estrutural 167(2): 153-158.
  5. Voitchovsky, K., S.A. Contera, e outros (2009). “Acoplamento Lateral e dinâmica cooperativa na função do bacteriorhodopsin nativo da proteína da membrana.” Matéria Macia 5(24): 4899-4904.
  6. Raman, A., S. Trigueros, e outros (2011). “Traçando propriedades nanomechanical de pilhas vivas usando a microscopia atômica da força do multi-harmónico.” Nanotecnologia da Natureza 6(12): 809-814.
  7. Matsumura, Y. e H. Maeda (1986). “Um novo conceito para a terapêutica macromolecular na quimioterapia do cancro: mecanismo da acumulação tumoritropic de proteínas e dos smancs antitumorosos do agente.” Cancro Res 46 (12 Pintas 1): 6387-6392.
  8. Bugnicourt, L., S. Trigueros, SA Contera “que Projeta Biocompatibility e Conjunto nos Eléctrodos de Nanotube do Carbono Usando as Propriedades Físico-químicas Dispositivos De Circuito Integrado do Chitosano” e Materiais 2011, continuações, No. 5372.
Date Added: May 24, 2012 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 09:44

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