211service.com
Nanotrådar som beter sig som celler
Forskare vid Lawrence Livermore National Laboratory har förseglat kisel-nanotrådtransistorer i ett membran som liknar de som omger biologiska celler. Dessa hybridenheter, som fungerar på samma sätt som nervceller, kan användas för att skapa bättre gränssnitt för proteser och cochleaimplantat. De kan också fungera bra som biosensorer för medicinsk diagnostik.
Hybrid nanotråd: Kiselnannotråden som visas i mikroskopbilden (överst) är täckt av ett fettmembran som liknar de som omger biologiska celler. Den nedre bilden är en illustration som visar de två lagren av lipidmolekyler som omger nanotråden och förseglar den från den omgivande miljön. Joner kan passera genom membranet via en jonkanal, här avbildad i lavendel.
Biologisk kommunikation är sofistikerad och förblir oöverträffad i dagens elektronik, som är beroende av elektriska fält och strömmar. Celler i människokroppen använder många ytterligare kommunikationsmedel inklusive hormoner, neurotransmittorer och joner som kalcium. Nexus av biologisk kommunikation är cellmembranet, ett dubbelt lager av fettmolekyler översållade med proteiner som fungerar som gatekeepers och utför de första stegen i biologisk signalbehandling.
Aleksandr Noy , en kemist vid det nationella labbet, gav kiselnanotrådar ett cellmembran i hopp om att göra bättre bioelektronik. Kan man få modern mikroelektronik att prata med levande organismer kan man göra effektivare proteser eller nya typer av biosensorer för medicinsk diagnostik, säger Noy. Till exempel, om elektroderna som förbinder en protesanordning med nervsystemet kunde läsa kemiska signaler istället för bara elektriska, kan personen som bär den ha bättre kontroll över protesen.
Noy började med att göra arrayer av kisel-nanotrådstransistorer - rader av 30 nanometer-diameter ledningar avgränsade i vardera änden av elektriska kontakter - med hjälp av metoder utvecklade av andra forskare. Arrayerna placerades i en mikrofluidisk anordning. Noys grupp använde mikrofluidik för att leverera ihåliga sfärer av feta membranmolekyler. Sfärerna attraheras av de negativt laddade ytorna på nanotrådarna, där de ackumuleras och smälter samman för att bilda ett kontinuerligt membran som helt tätar varje nanotråd precis som ett biologiskt membran förseglar innehållet i en cell. Transistorer av blotta nanotrådar uppvisar en mätbar förändring i sina elektriska egenskaper när de utsätts för sura eller basiska lösningar; de membranskyddade nanotrådarna gör det inte, eftersom det feta lagret försluter den hårda lösningen – precis som ett biologiskt cellmembran.
För att ge de belagda nanotrådarna elektriska grindar – i huvudsak ett sätt att få dem att reagera på den omgivande kemiska miljön – tillsatte Noy proteiner för att bilda jonkanaler, som styr flödet av laddade atomer och molekyler över cellmembranen. När de sätts i lösning med nanotrådarna, sätter dessa proteiner in sig själva i membranet. Noys grupp testade enheterna med två typer av jonkanaler: en som alltid låter små, positivt laddade joner passera och en som bara gör det som svar på en spänningsförändring som kan produceras av nanotråden. Detta spänningskänsliga protein används ofta för att efterlikna elektriska signaler från nervceller. Nanotrådarna med jonkanaler kunde känna av närvaron av joner i lösningen. Genom att använda nanotråden för att skapa en spänningsskillnad över membranet kan det spänningskänsliga proteinet öppnas och stängas, vilket effektivt låter nanotråden slå på eller av sin kemiska avkänningsförmåga. Neuronen är en bra analog på vissa sätt, säger Noy om dessa enheter.
Noys arbete, beskrivet denna vecka i Proceedings of the National Academy of Sciences , öppnar nya vägar eftersom det gör nanotrådarna mer som celler, säger Yi Cui , biträdande professor i materialvetenskap och teknik vid Stanford University. Med Charles Kära , en kemist vid Harvard University, har Cui gjort nanotrådar av kisel till mycket känsliga sensorer genom att belägga nanotrådarna med antikroppar. Sensorerna kunde till exempel detektera blodproteiner som är karakteristiska för cancer. Noys arbete, säger Cui, är ett riktigt kreativt sätt att integrera en transistor med ett cellmembran. Genom att belägga nanotrådarna kan Noy dra nytta av allt som biologiska cellmembran har att erbjuda, inklusive förmågan att känna av och reagera på spänningsförändringar, såväl som joner, proteiner och andra biomolekyler. Denna funktionalitet kan inte uppnås med antikroppar, säger Cui.
Därefter planerar Noy att utveckla mer sofistikerade nanotråd-hybridenheter. Hittills har varje enhet endast utrustats med en typ av jonkanal, vilket begränsar komplexiteten i de funktioner de kan utföra. (Biologiska celler är belagda med många olika membranproteiner.)
Forskarna kommer också att börja testa enheternas interaktioner med levande celler. Andra forskare, bl.a Peidong Yang vid University of California, Berkeley och Harvards Lieber, har använt nanotrådar av nakna kisel för att samverka med neuroner, stamceller, hjärtceller och andra vävnader. De har visat att nanotrådarna kan skicka och ta emot elektriska signaler med mycket hög rumslig upplösning, även inom enstaka celler. Noys första arbete förblir ett proof of concept.