Related Offers

Физика в Nanomedicine: Интерфейсы и Механически Свойства Nanomaterials и Биологических Систем с AFM

Профессором Соней Contera

Профессор Соня Contera, Собрат RCUK Академичный в Биологической Физике и Nanomedicine, Оксфордский Университет. Соответствуя автор: s.antoranzcontera1@physics.ox.ac.uk. Личный вебсайт.

На прошлая декада, научные работники и инженеры приобретали увеличивая управление над свойствами дела на маштабе нанометра - измеряющ, предсказывающ и строящ nanoparticles и nanostructures. Романные применения были созданы которые имеют потенциал преобразовать все от изготавливания к производству энергии и доступу к чистой воде; более эффективные уменьшение и предохранение загрязнения; более сильные, более светлые, более дешевые материалы. Область где нанотехнология смогла сделать одно самых существенных ударов медицина.

Почему nano в медицине?

Основные строительные блоки жизни - ДНА, протеины, липиды - nano-определенные размер системы. На молекулярном уровне много биология случается на nm-маштабе. ДНА (~ 2nm диаметра) и протеины (типично ~ 3 - 10 nm), эффектно сложные nanomachines точн-настроенные развитием, и их функцию, их движения, их механиков и их взаимодействия друг с другом в здоровье и заболевание можно изучить, и пристрелть, с инструментами нанотехнологии.

Диаграмма 1. сравнение Размера: nanoparticles и биологические системы

Это схождение нанотехнологии и биологии водило к эмерджентности nanomedicine. Nanomedicine польза нанотехнологии создать радикальным образом улучшенные исследование, диагноз и обработку заболевания которая может достигнуть уровень одиночн-молекулы. Нанотехнология помогает создать виток, перенос парадигмы в путь мы обрабатываем и диагностируем заболевание; настоящее исследование фокусирует на зонах как новые пристрелнные системы снадобь-поставки, nanomaterials для того чтобы восстановить поврежденные ткани, и весьма точные biosensing приборы. Nanomedicine предлагает упование для обрабатывать например ушибы спинного мозга, мочеизнурение, сердечную болезнь, заболевание Parkinson и рак.

Multidisiciplinarity nanomedicine

Nanomedicine возникает от схождения различных наук на маштабе nm: наука материалов, физика, химия, биология, инженерство, Etc. Это водит к научным работникам с различными предпосылками, и различные технические и интеллектуальные искусства, пробуя решать медицинские проблемы используя нанотехнологию, как «что самый лучший путь пристрелть тумор с nanoparticle?». Возможность nanomedicine интегрировать знание химиков, биологов и физиков для достижения оптимального ответа.

Один важный вклад к этому полю приходит от физики. Физики пробуют определить и квантифицировать основные взаимодействия nanomaterials с биологическими системами - молекулярные усилия которые управляют взаимодействием (электростатикой, фургоном der Waals, динамическими сложными явлениями), термодинамику, интерфейс nanoparticle с жидкостью, роль механически свойств (жесткости, упругости, прилипания). Задача понять основные явления так, что рациональная конструкция nanoparticles для специфического медицинского применения станет возможной.

От точки зрения физика, биологические системы эксплуатируют физическую химию nm-определенных размер биомолекул (протеинов, ДНА…) для того чтобы создать сложные функциональные, динамические структуры с детальными nanomechanical свойствами (прилипанием, жесткостью, упругостью), портняжничал интерфейсы и функциональную организацию с иерархической структурой (от nm к микрону к маштабам mm). Интерфейсы и механически свойства модулируют функциональные структуры которые включают биологическую функцию, от селективности канала мембраны, к вязке протеина к ДНА, к разделению клетки и морфогенезу и организации тканей и органов. Вся из этих функций изменены заболеванием или травма.

Дополнительно, биологические системы как протеины и ДНА создадут интерфейсы с окружающими жидкостями которые управят их взаимодействиями с nanomaterials; клетки прореагируют к manmade nanomaterials через взаимодействия на их интерфейсах которые будут модулироваться механически свойствами (например прилипанием, упругостью) как клетки, так и материала, как клетки динамически реагируют к химикату, так же, как к механически сигналам (mechanotransduction). Понимающ эти сложные, динамические структуры и физические свойства одна из главным образом возможностей самомоднейшей науки и образовывают научную предпосылку к самомоднейшим nanomedicine, биоматериалам и системам bioinspired/biomimetic.

Ключевые физические параметры и принципиальные схемы:

  • интерфейсы
  • молекулярные усилия
  • механически свойства (прилипание, упругость)
  • динамика
  • nanochemistry
  • nanomechanics
  • mechanochemistry

Количественное измерение

Меньшее количественное научное познание основных процессов которые управляют nanomaterial/биологическими средств взаимодействиями. С в настоящее время доступными методами, оно очень трудный для того чтобы получить необходимую количественную информацию всех уместных параметров, от разрешение nm и sub-nm структур и их динамики в физиологопсихологических жидкостях, к отображать механически свойств клеток, биомолекул и nanomaterials на маштабе nm, и свойств интерфейсов которые сложные биологические и nanostructured материалы устанавливают с биологическими жидкостями.

Наша работа

Диаграмма 2. пользы AFM Сони Contera основала методы для количественного измерения механически свойств и интерфейсов биологических систем в физиологопсихологических условиях
В последнем немногие леты мы начинали методы основанные на атомном микроскопе усилия (AFM) которые позволяли мы количественно измерить интерфейсы биологических молекул и структур с физиологопсихологическими жидкостями.

Используя AFM с романным методом мал-амплитуды в котором microcantilever осциллировано как раз с амплитудой ~ 1 Å на интерфейсе поверхности и жидкости, мы могл измерить энергию адгезии тверд-жидкости с разрешением sub-nm 1. Используя этот метод мы квантифицировали сложную электростатику влияний протеинов мембраны (bacteriorhodopsin, определенного размер nm активированного светом насоса протона 3) измеряя ионных на структуре воды на интерфейсе 2. Используя подсказку AFM как очень точное nanoindenter мы квантифицировали жесткость одиночного протеина мембраны 3. Furthermore мы могл показать что упругость протеина мембраны отнесена к своим свойствам интерфейса 2. Используя высокоскоростной метод AFM (начатый ando и коллегаами Toshio на Университете Kanazawa) тот совмещает разрешение sub-nm с скоростями до 50 frames/s, мы изучали динамику bacteriorhodopsin во время нагнетать протеинов 4, 5 и показывали как функция протеина внутри мембрана включает соединение с соседскими протеинами 5. Мы увеличивали разрешение AFM в разрешении разрешить одиночные атомы в разрешении 1, ионе связывая к протеину мембраны и могли разрешить двойн-винтовую линию ДНА. Более недавно, используя современный многочастотный AFM мы могл количественно отобразить nanomechanical свойства живущих клеток с беспрецедентный скоростью и точностью 6; это сделает его возможным изучить основные механизмы которые определяют реакцию клетки nanomechanical в различных контекстах. Мы показали что релевантность этих свойств для взаимодействия биомолекул и клетки с поверхностями и нами показывали что интерфейсы, динамика и механически свойства деиствительно взаимосвязаны 2.

Применение основной физики к nanomedicine

В Настоящее Время мы эксплуатируем эти знание и методы для того чтобы конструировать nanostructures (nanostructure-основанные системы снадобь-поставки, и nanocomposites для регенерации ткани) которые включают селективность и biocompatibility путем контролируя интерфейсы и механически свойства.

  1. Было показано что механики имеют значение в раке: например nanoparticles могут достигнуть туморы используя дифференциальные механически свойства окружающих кровеносных сосудов (так называемого влияния EPR 7). Наша цель конструировать nanoparticles которые не только иметь правую химию но также правые механически свойства, используя нашу способность квантифицировать механически свойства на nm-маштабе.
  2. Растущий интерес в использовании нанотехнологии в био применениях материалов как implants для того чтобы отремонтировать ткань косточки. Nanomaterials и nanocomposites Bioinspired могут повысить излечить и регенерация ткани потому что их можно использовать для предусмотрения хороший структурный и механически соответствовать к той из реальной ткани, могут обеспечить электрическую проводимость nanoscale (важную в тканях например сердца и спинного мозга), улучшить прилипатель и micro implant/nanoenvironment- определяя moieties, и улучшить способность клеток собственн-собрать в тканях 3D.

Диаграмма 3. изображение SEM ремонтины 3D созданной используя nanocomposite nanotubes хитозана и углерода, L Bugnicourt, S. Trigueros и S Contera, неопубликованный.

Мы в частности заинтересованы в nanotubes углерода. Например, nanotubes углерода показывают вязко-эластическое поведение подобное к наблюдаемому тому в мембранах мягк-ткани, поэтому их можно использовать для того чтобы увеличить Young модуль и прочность на растяжение гибридных биоматериалов.

Были показаны, что поддерживают nanotubes Углерода культивирование невронов. Спряжение этих nanotubes к различным субстратам может повлиять на поведение клетки и повысить приложение, рост, дифференцирование и долгосрочное выживание невронов, по мере того как кажется, что невроны проводное nanostructure мочь выдержать. Несмотря На преимущества nanotubes углерода они показывали некоторые вопросы biocompatibility. Мы начинаем стратегии для создавать сети nanocomposite nanotubes и биополимеров углерода, с контролируемыми структурными и механически свойствами. Мы смогли обеспечить что nanocomposites biocompatible и электрически active путем использование свойств собственн-агрегата и biocompatibility например хитозана. 8


Справки

  1. Voitchovsky, K., JJ Kuna, SA Contera, E Tosatti, F Stellacci, отображать Direct энергии адгезии тверд-жидкости с разрешением subnanometre. Нанотехнология Природы, 2010. 5(6): P. 401-405.
  2. Contera*, S.A., K. Voitchovsky, и J.F. Райан, Контролируемая ионная конденсация на поверхности родной extremophile мембраны. Nanoscale, 2010. 2(2): P. 222-229.
  3. Voitchovsky, K., S.A. Contera, et al. (2007). «Электростатические и стерические взаимодействия определяют биомеханику одиночн-молекулы bacteriorhodopsin.» Биофизический Журнал 93(6): 2024-2037.
  4. Yamashita, H., K. Voitchovsky, et al. (2009). «Динамика кристалла bacteriorhodopsin 2D наблюдаемого высокоскоростной атомной микроскопией усилия.» Журнал Структурной Биологии 167(2): 153-158.
  5. Voitchovsky, K., S.A. Contera, et al. (2009). «Боковое соединение и кооперативная динамика в функции родного bacteriorhodopsin протеина мембраны.» Мягкое Дело 5(24): 4899-4904.
  6. Raman, A., S. Trigueros, et al. (2011). «Отображающ nanomechanical свойства клеток в реальном маштабе времени используя multi-гармоническую атомную микроскопию усилия.» Нанотехнология Природы 6(12): 809-814.
  7. Matsumura, Y. и H. Maeda (1986). «Новое понятие для макромолекулярной терапевтики в химиотерапии рака: механизм tumoritropic накопления протеинов и antitumor smancs агента.» Карцинома Res 46 (12 Pt 1): 6387-6392.
  8. Bugnicourt, L., S. Trigueros, SA Contera «Проектируя Biocompatibility и Агрегат в Электродах Nanotube Углерода Используя Physicochemical Свойства Твердотельные Приборы Хитозана» и Материалы 2011, продолжения, Номер 5372.
Date Added: May 24, 2012 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 09:48

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit