物理在 Nanomedicine : 界面和 Nanomaterials 和生物系统机械性能与 AFM

索尼娅 Contera 教授

索尼娅 Contera,生物物理的 RCUK 学术研究员教授和 Nanomedicine,牛津大学。 对应的作者: s.antoranzcontera1@physics.ox.ac.uk私有网站

对过去十年,科学家和工程师取得对问题属性的增长的控制在毫微米缩放比例 - 评定,预测和修建 nanoparticles 和 nanostructures。 有潜在变换一切从对清水的制造到发电和存取的新颖的应用被创建了; 更加有效的污染减少和预防; 更加严格,更轻,更加便宜的材料。 纳米技术可能做一最大量的影响的区是医学。

为什么纳诺在医学?

人生的脱氧核糖核酸根本构件,蛋白质,油脂 - 是纳诺尺寸系统。 在这个分子级别很多生物发生在这个 nm 缩放比例。 脱氧核糖核酸 (直径 ~ 2nm) 和蛋白质 (典型地 ~ 3 - 十倍 nm),有效是演变优化的复杂 nanomachines,并且他们的功能、他们的移动、他们的技工和他们的交往彼此在健康和疾病可以学习和瞄准,与纳米技术工具。

图 1. 范围比较: nanoparticles 和生物系统

纳米技术和生物此汇合导致了 nanomedicine 诞生。 Nanomedicine 是使用纳米技术创建可能到达单一分子级别疾病的根本地被改进的研究、诊断和处理。 纳米技术在我们对待并且诊断疾病的方式中帮助创建一次革命,示例转移; 当前研究着重区例如新的被瞄准的药物发运系统、 nanomaterials 恢复损坏的组织和非常准确 biosensing 的设备。 即 Nanomedicine 提供对对待脊髓伤害、糖尿病、心脏病、帕金森病和癌症的希望。

nanomedicine Multidisiciplinarity

Nanomedicine 从不同的科学汇合出现在 nm 缩放比例: 材料学、物理、化学、生物、工程等等。 这导致用不同的背景的科学家和不同的技术和智力技能,设法解决医疗课题使用纳米技术,例如 “什么是这个最佳的方式瞄准与纳米颗粒的一个肿瘤?”。 nanomedicine 的挑战是集成化学家、生物学家和物理学家知识到达最佳的答复。

对此域的一重要摊缴来自物理。 物理学家设法识别和定量 nanomaterials 的基本的交往与生物系统的 - 驱动交往的分子力 (静电学, van der Waals,动态复杂现象),热力学,纳米颗粒的界面与液体的,机械性能 (僵硬、弹性,黏附力) 的角色。 这个目的将了解基本的现象,以便 nanoparticles 合理的设计一种特定医疗应用的变得可能。

从物理学家的观点,生物系统利用 nm 尺寸原生质 (蛋白质,脱氧核糖核酸物理化学…) 用详细 nanomechanical 属性 (黏附力、僵硬,弹性) 要创建复杂功能,动态结构,剪裁界面和一个功能分层结构组织 (从 nm 到对 mm 缩放比例的微米)。 界面和机械性能调整启用生物功能,从膜通道选择性,对蛋白质捆绑对脱氧核糖核酸,对细胞分裂和形态发生和组织和机构的组织的功能构造。 所有这些功能由疾病或创伤修改。

另外,生物系统例如蛋白质和脱氧核糖核酸用将管理他们的与 nanomaterials 的交往的周围的流体将创建界面; 细胞将起反应对人造 nanomaterials 通过交往在将由机械性能的他们的界面 (即黏附力,弹性) 调整这个细胞和材料,作为细胞动态地起反应对化学制品,以及对机械提示 (mechanotransduction)。 了解这些复杂,动态结构和物理属性是其中一个现代科学的主要挑战并且构成科学背景对现代 nanomedicine、生物材料和 bioinspired/biomimetic 系统。

关键实际参数和概念:

  • 界面
  • 分子力
  • 机械性能 (黏附力,弹性)
  • 动力
  • nanochemistry
  • nanomechanics
  • mechanochemistry

定量评定

有管理 nanomaterial/生物媒体交往基本的过程的一点定量科学。 现在可以得到的技术,它是非常富挑战性得到所有相关参数的必要的定量信息,从 nm 和子 nm 结构的解决方法和他们的动力在生理流体,到映射细胞机械性能、原生质和 nanomaterials 在 nm 缩放比例和复杂生物和 nanostructured 材料设立与生物流体界面的属性。

我们的工作

图 2. 索尼娅 Contera 用途 AFM 根据机械性能的定量生物系统评定和界面的技术在生理情况的
在过去几年内我们开发了使我们定量地评定 (AFM)生物分子和结构界面与生理流体在基本强制显微镜基础上的技术。

使用与 microcantilever 摆动与在表面和液体的界面的 ~ 1 Å 高度的一个新颖的小型高度方法的 AFM,我们能评定与子 nm 解决方法的固态液体黏附力能源 1。 使用此技术我们定量了膜蛋白质 (bacteriorhodopsin, 3 nm 大小的光被激活的氢核泵) 评定的离子作用复杂静电学对水结构的在这个界面 2。 使用 AFM 技巧作为一非常准确的 nanoindenter 我们定量了唯一膜蛋白质的僵硬 3。 此外我们能向显示膜蛋白质的弹性与其界面属性有关 2。 使用一个高速 AFM 技术 (开发由 Toshio ando 和同事在金泽大学) 该联合收获机子 nm 解决方法与加速对 50 个 frames/s,我们学习了 bacteriorhodopsin 动力在抽蛋白质期间 4, 5 并且显示了在膜内的蛋白质功能如何介入这个联结与相邻的蛋白质 5。 我们增加了 AFM 的解决方法在解决方法的解决在解决方法,束缚 1对膜蛋白质的离子的唯一原子和能解决脱氧核糖核酸二重螺旋。 最近,使用科技目前进步水平多频的 AFM 我们能定量地映射活细胞 nanomechanical 属性与史无前例的速度和准确性的 6; 这使成为可能学习用不同的环境确定细胞 nanomechanical 回应的根本结构。 我们显示这些属性与表面和我们的相关性原生质的交往的和细胞向显示界面、动力和机械性能的确相互关连 2

基本的物理的应用对 nanomedicine 的

目前我们利用此知识和技术设计由控制界面和机械性能启用选择性和 biocompatibility 组织重新生成的 nanostructures (基于 nanostructure 的药物发运系统和 nanocomposites)。

  1. 显示机械工在癌症要紧: 例如 nanoparticles 可能到达肿瘤使用周围的血管 (所谓的 EPR 作用) 的有差别的机械性能 7。 我们的目标将设计不仅有正确的化学,而且正确的机械性能的 nanoparticles,使用我们的能力定量机械性能在这个 nm 缩放比例。
  2. 有生长兴趣在使用纳米技术上在生物材料应用例如植入管修理骨头组织。 Bioinspired nanomaterials 和 nanocomposites 在 3D 组织可能促进愈合和组织重新生成,因为他们可以用于提供一好结构上和机械符合对那实际组织,可能提供 nanoscale 电导率 (即重要在重点和脊髓组织),改进定义份额的植入管粘合剂和微小/nanoenvironment- 和改进细胞的能力自汇编。

图 3. 使用脱乙酰壳多糖和碳 nanotubes nanocomposite 被创建的 3D 绞刑台的 SEM 图象,由 L Bugnicourt, S. 特里格罗斯和 S Contera,未出版。

我们是特别对碳 nanotubes 感兴趣。 例如,碳 nanotubes 在软组织膜显示黏弹性工作情况类似于被观察的那,因此他们可以用于增加杂种生物材料年轻的模数和抗拉强度。

碳 nanotubes 显示支持神经元的耕种。 因为神经元似乎需要一导电性 nanostructure 能生存,这些 nanotubes 的结合对不同的基体的可能影响细胞工作情况和促进附件、增长、分化和神经元长期生存。 尽管碳 nanotubes 的好处他们显示了一些 biocompatibility 问题。 我们开发创建的碳 nanotubes 和生物聚合物 nanocomposite 网络方法,用受控结构上和机械性能。 我们可能保证即 nanocomposites 是通过使用脱乙酰壳多糖的自集合属性和 biocompatibility 的生物适合和电子活跃。 8


参考

  1. Voitchovsky, K., JJ Kuna, SA Contera, E Tosatti, F Stellacci,固态液体黏附力能源的 Direct 映射与 subnanometre 解决方法的。 本质纳米技术, 2010年。 5(6) : p. 401-405。
  2. Contera*、 S.A.、 K. Voitchovsky 和 J.F. 赖安,受控离子结露在一个当地 extremophile 膜的表面。 Nanoscale, 2010年。 2(2) : p. 222-229。
  3. Voitchovsky, K., S.A. Contera,等 (2007)。 “静电和位的交往确定 bacteriorhodopsin 单一分子生物力学”。 生物物理学的日记帐 93(6) : 2024-2037.
  4. Yamashita, H., K. Voitchovsky,等 (2009)。 “bacteriorhodopsin 第 2 水晶动力高速基本强制显微学观察的”。 结构上的生物 167(2) 日记帐: 153-158.
  5. Voitchovsky, K., S.A. Contera,等 (2009)。 “侧向联结和合作动力在当地膜蛋白质 bacteriorhodopsin 的功能”。 软的问题 5(24) : 4899-4904.
  6. 喇曼, A., S. 特里格罗斯,等 (2011)。 “映射活细胞 nanomechanical 属性使用多泛音基本强制显微学”。 本质纳米技术 6(12) : 809-814.
  7. 松茂良、 Y. 和 H. Maeda (1986)。 “大分子治疗学的一个新概念在癌症化疗方面: 蛋白质和 antitumor 作用者 smancs 的 tumoritropic 累计结构”。 巨蟹星座 Res 46 (12 Pt 1) : 6387-6392.
  8. Bugnicourt, L., S. 特里格罗斯, SA “设计 Biocompatibility 和集合在碳 Nanotube 电极的 Contera 使用脱乙酰壳多糖物理化学的属性”固体器件和材料 2011年,行动,没有 5372。
Date Added: May 24, 2012 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 09:07

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