211service.com
Nano laidai, kurie elgiasi kaip ląstelės
Lawrence'o Livermore'o nacionalinės laboratorijos mokslininkai sandariai uždarė silicio nanolaidinius tranzistorius membranoje, panašioje į tas, kurios supa biologines ląsteles. Šie hibridiniai prietaisai, kurie veikia panašiai kaip nervų ląstelės, gali būti naudojami geresnėms galūnių protezų ir kochlearinių implantų sąsajoms sukurti. Jie taip pat gali gerai veikti kaip medicininės diagnostikos biojutikliai.
Hibridinis nanolaidas: Mikroskopo vaizde (viršuje) parodytas silicio nanolaidelis yra padengtas riebaline membrana, panašia į tas, kurios supa biologines ląsteles. Apatinis paveikslėlis yra iliustracija, vaizduojanti du lipidų molekulių sluoksnius, kurie supa nanolaidą ir užsandarina jį nuo supančios aplinkos. Jonai gali praeiti pro membraną per jonų kanalą, pavaizduotą čia levandoje.
Biologinis ryšys yra sudėtingas ir išlieka neprilygstamas šiuolaikinėje elektronikoje, kuri remiasi elektriniais laukais ir srovėmis. Žmogaus kūno ląstelės naudoja daug papildomų komunikacijos priemonių, įskaitant hormonus, neurotransmiterius ir jonus, tokius kaip kalcis. Biologinio ryšio jungtis yra ląstelės membrana, dvigubas riebalų molekulių sluoksnis, nusėtas baltymais, kurie veikia kaip vartų sargai ir atlieka pirmuosius biologinio signalo apdorojimo veiksmus.
Aleksandras Nojus , nacionalinės laboratorijos chemikas, silicio nanolaideliams suteikė ląstelių membraną, tikėdamasis sukurti geresnę bioelektroniką. Jei galite priversti šiuolaikinę mikroelektroniką kalbėtis su gyvais organizmais, galite sukurti efektyvesnius protezus arba naujų tipų biojutiklius medicininei diagnostikai, sako Noy. Pavyzdžiui, jei elektrodai, jungiantys protezavimo įrenginį su nervų sistema, galėtų nuskaityti cheminius signalus, o ne tik elektrinius, juos nešiojantis asmuo gali geriau valdyti protezą.
Noy'us pradėjo kurdamas silicio nanolaidinių tranzistorių matricas – 30 nanometrų skersmens laidų eiles, kurias abiejuose galuose riboja elektriniai kontaktai, naudojant kitų tyrinėtojų sukurtus metodus. Masyvai buvo patalpinti į mikrofluidinį įrenginį. Noy grupė naudojo mikrofluidikus, kad pristatytų tuščiavidures riebalų membranų molekulių sferas. Sferos pritraukiamos prie neigiamo krūvio nanolaidelių paviršių, kur jie kaupiasi ir susilieja, sudarydami ištisinę membraną, kuri visiškai užsandarina kiekvieną nanolaidelį, kaip biologinė membrana užsandarina ląstelės turinį. Nanolaidinių tranzistorių elektrinės savybės pastebimai pakinta veikiant rūgštiniams arba baziniams tirpalams; membrana apsaugoti nanolaideliai to nedaro, nes riebalinis sluoksnis užsandarina atšiaurų tirpalą – kaip ir biologinė ląstelės membrana.
Siekdamas suteikti padengtiems nanolaideliams elektrinius vartus – iš esmės priemones, skirtas jiems reaguoti į supančią cheminę aplinką – Noy pridėjo baltymų, kad susidarytų jonų kanalai, kurie kontroliuoja įkrautų atomų ir molekulių srautą per ląstelių membranas. Padėję į tirpalą su nanolaidais, šie baltymai įsiterpia į membraną. Noy's grupė išbandė įrenginius su dviejų tipų jonų kanalais: vienu, kuris visada praleidžia mažus teigiamai įkrautus jonus, ir kitą, kuris tai daro tik reaguojant į įtampos pokytį, kurį gali sukurti nanolaidas. Šis į įtampą reaguojantis baltymas dažnai naudojamas nervų ląstelių elektriniams signalams imituoti. Nanolaideliai su jonų kanalais galėjo pajusti jonų buvimą tirpale. Naudojant nanolaidą įtampos skirtumui membranoje sukurti, į įtampą reaguojantis baltymas gali būti atidarytas ir uždarytas, todėl nanolaidas gali įjungti arba išjungti savo cheminio jutimo gebėjimą. Neuronas tam tikrais atžvilgiais yra geras analogas, apie šiuos įrenginius sako Noy.
Nojaus darbas, aprašytas šią savaitę Nacionalinės mokslų akademijos darbai , atveria naujus kelius, nes nanolaidai tampa panašesni į ląsteles, sakoma Yi Cui , Stenfordo universiteto medžiagų mokslo ir inžinerijos docentas. Su Charlesas brangusis , Harvardo universiteto chemikas Cui, padengdamas nanolaidelius antikūnais, silicio nanolaidelius pavertė labai jautriais jutikliais. Jutikliai galėtų, pavyzdžiui, aptikti vėžiui būdingus kraujo baltymus. Cui teigimu, Noy darbas yra tikrai kūrybiškas būdas integruoti tranzistorių su ląstelės membrana. Dengdamas nanolaidelius, Noy gali pasinaudoti viskuo, ką gali pasiūlyti biologinės ląstelių membranos, įskaitant gebėjimą pajusti ir reaguoti į įtampos pokyčius, taip pat jonus, baltymus ir kitas biomolekules. Cui sako, kad tokio funkcijų diapazono negalima pasiekti naudojant antikūnus.
Be to, Noy planuoja sukurti sudėtingesnius nanolaidų hibridinius įrenginius. Iki šiol kiekviename įrenginyje buvo įrengtas tik vieno tipo jonų kanalas, o tai riboja funkcijų, kurias jie gali atlikti, sudėtingumą. (Biologinės ląstelės yra padengtos daugybe skirtingų membraninių baltymų.)
Tyrėjai taip pat pradės tikrinti prietaisų sąveiką su gyvomis ląstelėmis. Kiti tyrinėtojai, įskaitant Peidong Yang Kalifornijos universitete, Berklyje ir Harvardo Lieberyje, naudojo plikus silicio nanolaidus, kad susijungtų su neuronais, kamieninėmis ląstelėmis, širdies ląstelėmis ir kitais audiniais. Jie parodė, kad nanolaidai gali siųsti ir priimti elektrinius signalus su labai didele erdvine skiriamąja geba net atskirose ląstelėse. Pradinis Noy darbas išlieka koncepcijos įrodymu.