物理在 Nanomedicine : 界面和 Nanomaterials 和生物系統機械性能與 AFM

索尼婭 Contera 教授

索尼婭 Contera,生物物理的 RCUK 學術研究員教授和 Nanomedicine,牛津大學。 對應的作者: s.antoranzcontera1@physics.ox.ac.uk私有網站

对過去十年,科學家和工程師取得對問題屬性的增長的控制在毫微米縮放比例 - 評定,預測和修建 nanoparticles 和 nanostructures。 有潛在變換一切從對清水的製造到發電和存取的新穎的應用被創建了; 更加有效的汙染減少和預防; 更加嚴格,更輕,更加便宜的材料。 納米技術可能做一最大量的影響的區是醫學。

為什麼納諾在醫學?

人生的脫氧核糖核酸根本構件,蛋白質,油脂 - 是納諾尺寸系統。 在這個分子級別很多生物發生在這個 nm 縮放比例。 脫氧核糖核酸 (直徑 ~ 2nm) 和蛋白質 (典型地 ~ 3 - 十倍 nm),有效是演變優化的複雜 nanomachines,并且他們的功能、他們的移動、他們的技工和他們的交往彼此在健康和疾病可以學習和瞄準,與納米技術工具。

圖 1. 範圍比較: nanoparticles 和生物系統

納米技術和生物此匯合導致了 nanomedicine 誕生。 Nanomedicine 是使用納米技術創建可能到達單一分子級別疾病的根本地被改進的研究、診斷和處理。 納米技術在我們對待并且診斷疾病的方式中幫助創建一次革命,示例轉移; 當前研究著重區例如新的被瞄準的藥物發運系統、 nanomaterials 恢復損壞的組織和非常準確 biosensing 的設備。 即 Nanomedicine 提供對對待脊髓傷害、糖尿病、心臟病、帕金森病和癌症的希望。

nanomedicine Multidisiciplinarity

Nanomedicine 從不同的科學匯合出現在 nm 縮放比例: 材料學、物理、化學、生物、工程等等。 這導致用不同的背景的科學家和不同的技術和智力技能,設法解決醫療課題使用納米技術,例如 「什麼是這個最佳的方式瞄準與納米顆粒的一個腫瘤?」。 nanomedicine 的挑戰是集成化學家、生物學家和物理學家知識到達最佳的答復。

對此域的一重要攤繳來自物理。 物理學家設法識別和定量 nanomaterials 的基本的交往與生物系統的 - 驅動交往的分子力 (靜電學, van der Waals,動態複雜現象),熱力學,納米顆粒的界面與液體的,機械性能 (僵硬、彈性,黏附力) 的角色。 這個目的將瞭解基本的現象,以便 nanoparticles 合理的設計一種特定醫療應用的變得可能。

從物理學家的觀點,生物系統利用 nm 尺寸原生質 (蛋白質,脫氧核糖核酸物理化學…) 用詳細 nanomechanical 屬性 (黏附力、僵硬,彈性) 要創建複雜功能,動態結構,剪裁界面和一個功能分層結構組織 (從 nm 到對 mm 縮放比例的微米)。 界面和機械性能調整啟用生物功能,從膜通道選擇性,對蛋白質捆綁對脫氧核糖核酸,對細胞分裂和形態發生和組織和機構的組織的功能構造。 所有這些功能由疾病或創傷修改。

另外,生物系統例如蛋白質和脫氧核糖核酸用將管理他們的與 nanomaterials 的交往的周圍的流體將創建界面; 細胞將起反應對人造 nanomaterials 通過交往在將由機械性能的他們的界面 (即黏附力,彈性) 調整這個細胞和材料,作為細胞動態地起反應對化學製品,以及對機械提示 (mechanotransduction)。 瞭解這些複雜,動態結構和物理屬性是其中一個現代科學的主要挑戰并且構成科學背景對現代 nanomedicine、生物材料和 bioinspired/biomimetic 系統。

關鍵實際參數和概念:

  • 界面
  • 分子力
  • 機械性能 (黏附力,彈性)
  • 動力
  • nanochemistry
  • nanomechanics
  • mechanochemistry

定量評定

有管理 nanomaterial/生物媒體交往基本的過程的一點定量科學。 現在可以得到的技術,它是非常富挑戰性得到所有相關參數的必要的定量信息,從 nm 和子 nm 結構的解決方法和他們的動力在生理流體,到映射細胞機械性能、原生質和 nanomaterials 在 nm 縮放比例和複雜生物和 nanostructured 材料設立與生物流體界面的屬性。

我們的工作

圖 2. 索尼婭 Contera 用途 AFM 根據機械性能的定量生物系統評定和界面的技術在生理情況的
在過去幾年內我們開發了使我們定量地評定 (AFM)生物分子和結構界面與生理流體在基本強制顯微鏡基礎上的技術。

使用與 microcantilever 擺動與在表面和液體的界面的 ~ 1 Å 高度的一個新穎的小型高度方法的 AFM,我們能評定與子 nm 解決方法的固態液體黏附力能源 1。 使用此技術我們定量了膜蛋白質 (bacteriorhodopsin, 3 nm 大小的光被激活的氫核泵) 評定的離子作用複雜靜電學對水結構的在這個界面 2。 使用 AFM 技巧作為一非常準確的 nanoindenter 我們定量了唯一膜蛋白質的僵硬 3。 此外我們能向顯示膜蛋白質的彈性與其界面屬性有關 2。 使用一個高速 AFM 技術 (開發由 Toshio ando 和同事在金澤大學) 該聯合收穫機子 nm 解決方法與加速對 50 个 frames/s,我們學習了 bacteriorhodopsin 動力在抽蛋白質期間 4, 5 并且顯示了在膜內的蛋白質功能如何介入這個聯結與相鄰的蛋白質 5。 我們增加了 AFM 的解決方法在解決方法的解決在解決方法,束縛 1對膜蛋白質的離子的唯一原子和能解決脫氧核糖核酸二重螺旋。 最近,使用科技目前進步水平多頻的 AFM 我們能定量地映射活細胞 nanomechanical 屬性與史無前例的速度和準確性的 6; 這使成為可能學習用不同的環境確定細胞 nanomechanical 回應的根本結構。 我們顯示這些屬性與表面和我們的相關性原生質的交往的和細胞向顯示界面、動力和機械性能的確相互關連 2

基本的物理的應用對 nanomedicine 的

目前我們利用此知識和技術設計由控制界面和機械性能啟用選擇性和 biocompatibility 組織重新生成的 nanostructures (基於 nanostructure 的藥物發運系統和 nanocomposites)。

  1. 顯示機械工在癌症要緊: 例如 nanoparticles 可能到達腫瘤使用周圍的血管 (所謂的 EPR 作用) 的有差別的機械性能 7。 我們的目標將設計不僅有正確的化學,而且正確的機械性能的 nanoparticles,使用我們的能力定量機械性能在這個 nm 縮放比例。
  2. 有生長興趣在使用納米技術上在生物材料應用例如植入管修理骨頭組織。 Bioinspired nanomaterials 和 nanocomposites 在 3D 組織可能促進癒合和組織重新生成,因為他們可以用於提供一好結構上和機械符合對那實際組織,可能提供 nanoscale 電導率 (即重要在重點和脊髓組織),改進定義份額的植入管粘合劑和微小/nanoenvironment- 和改進細胞的能力自彙編。

圖 3. 使用脫乙酰殼多糖和碳 nanotubes nanocomposite 被創建的 3D 絞刑臺的 SEM 圖像,由 L Bugnicourt, S. 特里格羅斯和 S Contera,未出版。

我們是特別對碳 nanotubes 感興趣。 例如,碳 nanotubes 在軟組織膜顯示黏彈性工作情況類似於被觀察的那,因此他們可以用於增加雜種生物材料年輕的模數和抗拉強度。

碳 nanotubes 顯示支持神經元的耕種。 因為神經元似乎需要一導電性 nanostructure 能生存,這些 nanotubes 的結合對不同的基體的可能影響細胞工作情況和促進附件、增長、分化和神經元長期生存。 儘管碳 nanotubes 的好處他們顯示了一些 biocompatibility 問題。 我們開發創建的碳 nanotubes 和生物聚合物 nanocomposite 網絡方法,用受控結構上和機械性能。 我們可能保證即 nanocomposites 是通過使用脫乙酰殼多糖的自集合屬性和 biocompatibility 的生物適合和電子活躍。 8


參考

  1. Voitchovsky, K., JJ Kuna, SA Contera, E Tosatti, F Stellacci,固態液體黏附力能源的 Direct 映射與 subnanometre 解決方法的。 本質納米技術, 2010年。 5(6) : p. 401-405。
  2. Contera*、 S.A.、 K. Voitchovsky 和 J.F. 賴安,受控離子結露在一個當地 extremophile 膜的表面。 Nanoscale, 2010年。 2(2) : p. 222-229。
  3. Voitchovsky, K., S.A. Contera,等 (2007)。 「靜電和位的交往確定 bacteriorhodopsin 單一分子生物力學」。 生物物理學的日記帳 93(6) : 2024-2037.
  4. Yamashita, H., K. Voitchovsky,等 (2009)。 「bacteriorhodopsin 第 2 水晶動力高速基本強制顯微學觀察的」。 結構上的生物 167(2) 日記帳: 153-158.
  5. Voitchovsky, K., S.A. Contera,等 (2009)。 「側向聯結和合作動力在當地膜蛋白質 bacteriorhodopsin 的功能」。 軟的問題 5(24) : 4899-4904.
  6. 喇曼, A., S. 特里格羅斯,等 (2011)。 「映射活細胞 nanomechanical 屬性使用多泛音基本強制顯微學」。 本質納米技術 6(12) : 809-814.
  7. 松茂良、 Y. 和 H. Maeda (1986)。 「大分子治療學的一個新概念在癌症化療方面: 蛋白質和 antitumor 作用者 smancs 的 tumoritropic 累計結構」。 巨蟹星座 Res 46 (12 Pt 1) : 6387-6392.
  8. Bugnicourt, L., S. 特里格羅斯, SA 「設計 Biocompatibility 和集合在碳 Nanotube 電極的 Contera 使用脫乙酰殼多糖物理化學的屬性」固體器件和材料 2011年,行動,沒有 5372。
Date Added: May 24, 2012 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 09:11

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