211service.com
Nanovadi, kas uzvedas kā šūnas
Pētnieki no Lawrence Livermore Nacionālās laboratorijas ir noslēguši silīcija nanovadu tranzistorus membrānā, kas ir līdzīga tiem, kas ieskauj bioloģiskās šūnas. Šīs hibrīdierīces, kas darbojas līdzīgi nervu šūnām, var tikt izmantotas, lai izveidotu labākas saskarnes ekstremitāšu protēzēm un kohleārajiem implantiem. Tie varētu darboties arī kā biosensori medicīniskajai diagnostikai.
Hibrīds nanovads: Mikroskopa attēlā redzamā silīcija nanovada (augšpusē) ir pārklāta ar taukainu membrānu, kas ir līdzīga tām, kas ieskauj bioloģiskās šūnas. Apakšējais attēls ir ilustrācija, kurā attēloti divi lipīdu molekulu slāņi, kas ieskauj nanovadu, noslēdzot to no apkārtējās vides. Joni var iziet cauri membrānai pa jonu kanālu, kas šeit attēlots lavandas krāsā.
Bioloģiskā komunikācija ir sarežģīta, un mūsdienu elektronikā, kas balstās uz elektriskajiem laukiem un strāvām, tā joprojām ir nepārspējama. Cilvēka ķermeņa šūnas izmanto daudzus papildu saziņas līdzekļus, tostarp hormonus, neirotransmiterus un jonus, piemēram, kalciju. Bioloģiskās komunikācijas saite ir šūnu membrāna, dubults tauku molekulu slānis, kas piepildīts ar olbaltumvielām, kas darbojas kā vārtsargi un veic pirmos soļus bioloģisko signālu apstrādē.
Aleksandrs Nojs Nacionālās laboratorijas ķīmiķis piešķīra silīcija nanovadiem šūnu membrānu, cerot izveidot labāku bioelektroniku. Ja jūs varat likt mūsdienu mikroelektronikai runāt ar dzīviem organismiem, jūs varat izveidot efektīvākas protezēšanas vai jauna veida biosensorus medicīniskajai diagnostikai, saka Noy. Piemēram, ja elektrodi, kas savieno protezēšanas ierīci ar nervu sistēmu, varētu nolasīt ķīmiskos signālus, nevis tikai elektriskos signālus, persona, kas to valkā, varētu labāk kontrolēt protēzi.
Nojs sāka, izmantojot citu pētnieku izstrādātās metodes, izveidojot silīcija nanovadu tranzistoru blokus — 30 nanometru diametra vadu rindas, kuras abos galos ierobežo elektriskie kontakti. Masīvi tika ievietoti mikrofluidiskā ierīcē. Noja grupa izmantoja mikrofluidiku, lai piegādātu dobas tauku membrānu molekulu sfēras. Sfēras tiek piesaistītas negatīvi lādētajām nanovadu virsmām, kur tās uzkrājas un saplūst kopā, veidojot nepārtrauktu membrānu, kas pilnībā noslēdz katru nanovadu tāpat kā bioloģiskā membrāna noslēdz šūnas saturu. Nanovadu tranzistori, kas pakļauti skābiem vai bāziskiem šķīdumiem, uzrāda izmērāmas izmaiņas to elektriskajās īpašībās; ar membrānu aizsargātie nanovadi to nedara, jo tauku slānis noblīvē skarbo šķīdumu — tāpat kā bioloģiskā šūnu membrāna.
Lai pārklātajiem nanovadiem nodrošinātu elektriskos vārtus – būtībā, lai padarītu tos spējīgus reaģēt uz apkārtējo ķīmisko vidi – Nojs pievienoja olbaltumvielas, veidojot jonu kanālus, kas kontrolē lādētu atomu un molekulu plūsmu pāri šūnu membrānām. Ievietojot šķīdumā ar nanovadiem, šie proteīni ievietojas membrānā. Noja grupa pārbaudīja ierīces ar divu veidu jonu kanāliem: vienu, kas vienmēr ļauj iziet cauri maziem, pozitīvi lādētiem joniem, un otru, kas to dara tikai, reaģējot uz sprieguma izmaiņām, ko var radīt nanovads. Šo uz spriegumu reaģējošo proteīnu bieži izmanto, lai atdarinātu nervu šūnu elektriskos signālus. Nanovadi ar jonu kanāliem spēja sajust jonu klātbūtni šķīdumā. Izmantojot nanovadu, lai izveidotu sprieguma starpību visā membrānā, uz spriegumu reaģējošo proteīnu var atvērt un aizvērt, tādējādi ļaujot nanovadam ieslēgt vai izslēgt ķīmiskās uztveres spēju. Neirons dažos veidos ir labs analogs, par šīm ierīcēm saka Nojs.
Noja darbs, kas aprakstīts šonedēļ Proceedings of the National Academy of Sciences , paver jaunas iespējas, jo tas padara nanovadus līdzīgākus šūnām, saka Yi Cui , Stenfordas universitātes materiālu zinātnes un inženierzinātņu docents. Ar Čārlzs Dārgais , Hārvardas universitātes ķīmiķis Cui ir padarījis silīcija nanovadus par ļoti jutīgiem sensoriem, pārklājot nanovadus ar antivielām. Sensori varētu, piemēram, noteikt vēzim raksturīgās asins olbaltumvielas. Noy darbs, Cui saka, ir patiešām radošs veids, kā integrēt tranzistoru ar šūnu membrānu. Pārklājot nanovadus, Noy var izmantot visu, ko piedāvā bioloģiskās šūnu membrānas, tostarp spēju sajust un reaģēt uz sprieguma izmaiņām, kā arī jonus, proteīnus un citas biomolekulas. Cui saka, ka šo funkcionalitātes diapazonu nevar sasniegt ar antivielām.
Tālāk Nojs plāno izstrādāt sarežģītākas nanovadu-hibrīda ierīces. Līdz šim katra ierīce ir aprīkota tikai ar viena veida jonu kanālu, kas ierobežo to funkciju sarežģītību, ko tās var veikt. (Bioloģiskās šūnas ir pārklātas ar daudziem dažādiem membrānas proteīniem.)
Pētnieki arī sāks pārbaudīt ierīču mijiedarbību ar dzīvām šūnām. Citi pētnieki, tostarp Peidongs Jangs Kalifornijas universitātē Bērklijā un Hārvarda Līberā ir izmantojuši tukšus silīcija nanovadus, lai saskartos ar neironiem, cilmes šūnām, sirds šūnām un citiem audiem. Viņi ir parādījuši, ka nanovadi var nosūtīt un saņemt elektriskos signālus ar ļoti augstu telpisko izšķirtspēju pat atsevišķās šūnās. Noja sākotnējais darbs joprojām ir koncepcijas pierādījums.