Related Offers

Fysik i Nanomedicine: Har Kontakt och Mekanisk Rekvisita av Nanomaterials och Biologiska System med AFM

Vid Professorn Sonia Contera

Professor Sonia Contera, Akademisk Kamrat för RCUK i Biologisk Fysik och Nanomedicine, Oxford Universitetar. Motsvarande författare: s.antoranzcontera1@physics.ox.ac.uk. Personlig website.

För det förgångna årtiondet iscensätter har forskare och varit att nå som är ökande, kontrollerar över rekvisitan av materien på nanometerfjäll - att mäta, förutsägelsen och konstrueringsnanoparticles och nanostructures. Nya applikationer har skapats som har det potentiellt som omformar allt från fabriks- till energiproduktionen, och att ta fram till rengöringen bevattna; effektivare föroreningförminskning och förhindrande; starkare, mer ljus mer billig material. Ett område, var nanotechnology kunde göra en av den mest väsentligheten, får effekt är medicinen.

Varför nano i medicin?

De byggande kvarteren för grunden av liv - DNA, proteiner, lipids - är nano-storleksanpassade system. På det molekylärt jämna en raddabiologi händer på nm-fjäll. DNA (diameter~ 2nm) och proteiner (typisk ~ 3 - tio av nm), är effektivt komplexa nanomachines som finjusteras av evolution, och deras fungera, deras förehavanden, kan deras mekaniker och deras växelverkan med varje annan i vård- och sjukdom vara utstuderade, och uppsätta som mål, med nanotechnology bearbetar.

Figurera 1. Storleksanpassa jämförelsen: nanoparticles och biologiska system

Denna konvergens av nanotechnology och biologi har ledde till uppkomsten av nanomedicinen. Nanomedicine är bruket av nanotechnology att skapa radically förbättrad forskning, diagnos och behandling av sjukdomen som kan ne den jämna singel-molekylen. Nanotechnology är portionen som långt skapar en rotation, en paradigmförskjutning i oss fest och som diagnostiserar sjukdomen; strömforskning fokuserar på områden liksom nya riktade drog-leverans system, nanomaterials till skadada silkespapper för återställandet och extremt exakta biosensing apparater. Nanomedicine erbjudanden hoppas för behandling e.g av ryggmärgskador, av sockersjuka, av hjärtsjukdomen, Parkinsons av sjukdom och av cancer.

Multidisiciplinarity av nanomedicinen

Nanomedicine uppstår från konvergensen av olika vetenskaper på nm-fjäll: materialvetenskap, fysik, kemi, biologi, iscensätta, Etc. som Är Denna blytak till forskare med olika bakgrunder, och olik teknisk och intellektuell expertis som är pröva för att tackla medicinska problem genom att använda nanotechnology, liksom ”vad är det bäst långt som uppsätta som mål en tumör med en nanoparticle?”. Utmaningen av nanomedicinen är att integrera kunskapen av kemister, biologer och fysiker för att ne det optimala svaret.

Ett viktigt bidrag till detta sätter in kommer från fysik. Fysikerförsök att identifiera och kvantifiera grundläggande växelverkan av nanomaterials med biologiska system - de molekylära styrkorna, som kör växelverkan (elektrostatik, skåpbil der Waals, dynamiska komplexa fenomen), thermodynamicsen, ha kontakt av nanoparticlen med flytanden, rollen av mekanisk rekvisita (styvhet, spänst, adhesion). Mål är att förstå de grundläggande fenomenen, så att den rationella designen av nanoparticles för en specifik medicinsk applikation blir möjligheten.

Från en fysiker peka av beskådar, biologiska system exploaterar läkarundersökningkemin av nm-storleksanpassade biomolecules (proteiner, DNA…) att skapa komplext funktionellt, dynamiskt strukturerar med specificerad nanomechanical rekvisita (adhesion, styvhet, spänst), anpassad har kontakt och en funktionell hierarkisk organisation (från nm till mikronen till en mmfjäll). Har Kontakt, och den mekaniska rekvisitan modulerar de funktionella strukturerar som möjliggör biologiskt fungerar, från selectivityen av ett membran kanaliserar, till bandet av ett protein till DNA, till celluppdelning och morphogenesis och organisationen av silkespapper och organ. Alla dessa fungerar förändrar sig av sjukdomen eller trauma.

Dessutom skapar biologiska system liksom proteiner och ska DNA har kontakt med de omgeende vätskorna som ska reglerar deras växelverkan med nanomaterials; ska celler reagerar till konstgjorda nanomaterials till och med växelverkan på deras har kontakt, att ska moduleras av mekanisk rekvisita (e.g adhesion, spänst) av både cellen och det materiellt, som celler reagerar dynamiskt till kemiskt såväl som till mekaniska stickrepliker (mechanotransduction). Överenskommelse dessa komplext, dynamiskt strukturerar, och läkarundersökningrekvisitan är en av de huvudsakliga utmaningarna av modern vetenskap och utgör den vetenskapliga bakgrunden till den moderna nanomedicinen, biomaterials och bioinspired-/biomimeticsystem.

Nyckel- läkarundersökningparametrar och begrepp:

  • har kontakt
  • molekylära styrkor
  • mekanisk rekvisita (adhesion, spänst)
  • dynamik
  • nanochemistry
  • nanomechanics
  • mechanochemistry

Kvantitativ mätning

Det finns lite kvantitativ vetenskaplig kunskap av det grundläggande bearbetar som reglerar nanomaterialen/biologiska medelväxelverkan. Med för närvarande tillgängliga tekniker är det mycket utmana att erhålla den nödvändiga kvantitativa informationen allra de relevant parametrarna, från upplösning nm och under-nm av strukturerar och deras dynamik i fysiologiska vätskor, till att kartlägga av mekanisk rekvisita av celler, biomolecules och nanomaterials på nm-fjäll, och rekvisitan av har kontakt det komplexa biologiskt, och nanostructured material upprättar med biologiska vätskor.

Vårt arbete

Figurera 2. Sonia Contera använder AFM baserade tekniker för kvantitativ mätning av mekanisk rekvisita och har kontakt av biologiska system i fysiologiskt villkorar
I de sist få åren har vi framkallat tekniker som baseras på det atom- styrkamikroskopet (AFM), som har möjliggjort oss quantitatively för att mäta har kontakt av biologiska molekylar, och strukturerar med fysiologiska vätskor.

Genom Att Använda AFM med en ny liten-amplitud metod, som en microcantilever svängs i precis med amplitud för ~ 1 Å på ha kontakt av ytbehandla och flytanden, har vi varit kompetent att mäta denflytande adhesionenergin med upplösning under-nm 1. Genom Att Använda denna teknik kvantifierade vi den komplexa elektrostatiken av membranproteiner (bacteriorhodopsinen, en nm storleksanpassad lätt aktiverad proton 3 pumpar) som att mäta som är ionic, verkställer på bevattna strukturerar på ha kontakt 2. Genom Att Använda AFM-spetsen som mycket en preciserananoindenter har vi kvantifierat styvheten av ett singelmembranprotein 3. Dessutom har vi varit kompetent att visa att spänsten av ett membranprotein förbinds till dess har kontakt rekvisita 2. Genom Att Använda en snabb AFM-teknik (som framkallas av den Toshio andoen och kollegor på den Kanazawa Universitetar) rusar den sammanslutningunder-nm upplösning med upp till 50 frames/s, har vi utstuderat dynamiken av bacteriorhodopsinen under att pumpa av proteiner, 4, 5 och visat, hur protein fungerar inom membranet, gäller koppla ihop med neighboring proteiner 5. Vi har ökat upplösningen av AFM i lösning till beslutsingelatoms i lösning 1, ett jonband till ett membranprotein och har varit kompetent att lösa DNA-dubblett-spiralen. För en tid sedan, genom att använda statlig-av--konst multifrequency AFM har vi varit kompetent quantitatively att kartlägga den nanomechanical rekvisitan av att bo celler med aldrig tidigare skådat rusar och exakthet 6; ska detta gör det möjlighet till studien grundmekanismen som bestämmer nanomechanical svar för cell i olika sammanhang. Vi har visat att relevansen av dessa rekvisita för växelverkan av biomolecules och celler med ytbehandlar och vi har visat, som har kontakt, dynamik och den mekaniska rekvisitan interrelateds sannerligen 2.

Applikation av grundläggande fysik till nanomedicinen

För närvarande exploaterar vi denna kunskap, och tekniker som planlägger nanostructures (nanostructure-baserade drog-leverans system och nanocomposites för silkespapperregeneration) som möjliggör selectivity och biocompatibility, genom att kontrollera, har kontakt och mekanisk rekvisita.

  1. Det har visats att mekaniker betyder i cancer: till exempel nanoparticles kan ne tumör genom att använda den differentiella mekaniska rekvisitan av de omgeende blodkärlen (denkallade EPREN verkställer 7). Vårt syfte är att planlägga nanoparticles som inte endast att ha den högra kemin men också den högra mekaniska rekvisitan, genom att använda vår kapacitet att kvantifiera mekanisk rekvisita på nm-fjäll.
  2. Det finns växa intresserar, i att använda nanotechnology i bio materialapplikationer liksom implantat för att reparera bensilkespappret. Bioinspired nanomaterials och nanocomposites kan främja att läka, och silkespapperregeneration, därför att de kan vara van vid, ger bra strukturellt och mekaniskt matcha till det av det verkliga silkespappret, kan ge elektrisk conductivity för nanoscale (som är viktig i e.g hjärta- och ryggmärgsilkespapper), förbättra den implantatbindemedlet och microen/nanoenvironmenten- som definierar hälfter och förbättra kapaciteten av celler själv-att montera i silkespapper 3D.

Figurera 3. SEM 2000 avbildar av en scaffold som 3D skapas genom att använda en nanocomposite av chitosan- och kolnanotubes, av L Bugnicourt, S. Trigueros och S Contera som är unpublished.

Vi intresseras bestämt i kolnanotubes. Till exempel visar kolnanotubes viscoelastic uppförande som är liknande till observerat det i mjuk-silkespapper membran, så de kan vara van vid förhöjning den Young modulusen och den tänjbara styrkan av hybrid- biomaterials.

Kolnanotubes har visats för att stötta odlingen av neurons. Konjugation av dessa nanotubes till olika substrates kan påverka celluppförande och främja tillbehöret, tillväxt, differentiering och långsiktig överlevnad av neurons, som neurons verkar för att behöva en ledande nanostructure att vara kompetent att fortleva. Illvilja fördelarna av kolnanotubes de har visat att någon biocompatibility utfärdar. Vi framkallar strategier för att skapa nanocomposite knyter kontakt av kolnanotubes och biopolymers, med kontrollerad strukturell och mekanisk rekvisita. Vi kunde se till att nanocompositesna är biocompatible och elektriskt aktivet genom att använda själv-enheten rekvisitan och biocompatibilityen av e.g chitosanen. 8


Hänvisar till

  1. Voitchovsky K., JJ Kuna, SA Contera, E Tosatti, F Stellacci, Riktar att kartlägga av denflytande adhesionenergin med subnanometreupplösning. NaturNanotechnology, 2010. 5(6): p. 401-405.
  2. Contera*, S.A., K. Voitchovsky och J.F. Ryan, Kontrollerade ionic kondensation på ytbehandla av ett infött extremophile membran. Nanoscale 2010. 2(2): p. 222-229.
  3. Voitchovsky K., S.A. Contera, o.a. (2007). ”Bestämmer Elektrostatiska och steric växelverkan bacteriorhodopsinsingel-molekylen biomechanics.”, Biophysical Föra Journal över 93(6): 2024-2037.
  4. Yamashita H., K. Voitchovsky, o.a. (2009). ”Dynamik av den 2D kristallen för bacteriorhodopsin som observeras av snabb atom- styrkamicroscopy.”, Föra Journal över av Strukturell Biologi 167(2): 153-158.
  5. Voitchovsky K., S.A. Contera, o.a. (2009). ”Sidokoppla ihop och kooperativdynamik i fungera av den infödda membranproteinbacteriorhodopsinen.”, Mjuk Materia 5(24): 4899-4904.
  6. Raman A., S. Trigueros, o.a. (2011). ”Kartlägga nanomechanical rekvisita av levande celler genom att använda mång--harmonisk atom- styrkamicroscopy.”, NaturNanotechnology 6(12): 809-814.
  7. Matsumura, Y. och H. Maeda (1986). ”Ett nytt begrepp för macromolecular terapi i cancerkemoterapi: mekanism av tumoritropic ackumulation av proteiner och de antitumor medelsmancsna.”, Cancer Res 46 (12 Halv Liter 1): 6387-6392.
  8. Bugnicourt L., S. Trigueros, SA Contera ”som Iscensätter Biocompatibility och Enheten i KolNanotube Elektroder genom Att Använda den Physicochemical Rekvisitan Halvledar- Apparater och Material 2011, förfaranden, Nr. 5372 av för Chitosanen”.
Date Added: May 24, 2012 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 09:55

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