Spreminjanje oblike geometrijsko kodiranega magnetnega senzorja lahko določi stanje globoko dane tkiv

Znanstveniki, ki delajo z Nacionalnega inštituta za standarde in tehnologijo (NIST) in Nacionalni inštitut za zdravje (NIH), razvil in pokazal nov, spreminja obliko senzorja, velikosti približno 1/100 premera človeškega lasu, ki omogoča, da pridobijo veliko informacij občutljivosti iz biološkega tkiva, da ni bilo mogoče z obstoječo tehnologijo.

Če je, na koncu, bi lahko dosegli široko uporabo, bi lahko ta projekt pomembno vplival na raziskave na področju medicine, kemije, biologije in tehnike. Ta tehnologija se lahko uporablja tudi v klinično diagnostiko.

Trenutno je večina poskusov za odkrivanje lokalne biokemične spremembe, kot so nenormalna pH in koncentracije ionov, - pomembnejših kazalcev za mnoge bolezni, - temeljijo na uporabi različnih nanosenzorji, da to storite s svetlobo na optičnih frekvencah. Vendar pa je občutljivost in ločljivost prejetih optičnih signalov hitro zmanjša z naraščanjem globine postavitev telesno tkivo. Ta omejena večino študij, bolj pregledne in optično dostopnih tkiv.

Nova sonda spremembe oblike, opisane v reviji Nature, ne veljajo te omejitve. Omogoča odkrivanje in merjenje lokalnih razmer na molekularni ravni v globokih tkiv v telesu, za njihovo opazovanje sprememb v realnem času.

"Naša naprava temelji na popolnoma drugačnih načelih robotov, - pravi Gary zakol NIST, ki je vodil raziskavo s sodelavci Stephen Dodd in Alan Coretchi iz NIH.

-Instead meritve, ki temeljijo na optičnem občutljivosti, ki spreminjajo obliko senzorja je zasnovan tako, da deluje v radiofrekvenčnega spektra, zlasti z namenom, da se jo da detektirati za standardne NMR in MRI opremo. Te RF signali, na primer, komaj zmanjša z biološkimi tkivi. "

Kot rezultat, lahko dajo močne, izrazite signale iz majhnega organa, ki se nahaja v globokih tkiv v telesu, ali drugih mestih nedostopnih za študij s pomočjo optičnih senzorjev.

Nova naprava imenovana geometrijsko kodiran magnetni senzor (HCM) je naprava kovina-gela, velikost 5-10 krat manjše od rdečih krvnih celic, eno najmanjših človeških celic. Vsak je sestavljen iz dveh magnetnih diskov velikosti od 0,5 do 2 mikrometra v premeru in nekaj nanometrov debeline. Med temi diski imajo vmesni sloj hidrogela - polimerno mrežo, ki lahko sprejema različne količine vode, v odvisnosti od njene strukture in kemijske sestave, spreminja svoj volumen v precej veliki meri. Razmerje ekspanzije je odvisna od kemijskih lastnosti gela in okolje okoli njega. Po drugi strani pa lahko hidrogel zmanjša tudi po velikosti kot odziv na spremembe v lokalnem okolju. Hidrogel, ki so raziskovalci uporabljajo v svojih poskusih, povečana prostornina v nevtralnem okolju in njegova zmanjša pri nižjih vrednostih pH.

Povečati ali zmanjšati volumen hidrogela spreminja razdaljo (in posledično napetosti magnetnega polja) med dvema diskov, in to v zameno spremeni frekvenco, pri kateri so protoni vodnih molekul okrog in znotraj gela resonanco kot odziv na radiofrekvenčno sevanje. Pregledovanje vzorca z uporabo hitre frekvenčno območje določa sedanja oblika nanosenzorji učinkovito preučevanje okoljskih pogojih s spremembo resonančne frekvence s sondami-oblike premikajo povzročajo.

Poskus je opisano v naravi, znanstveniki doživeli senzorji raztopine z različnimi pH v raztopinah z različnimi koncentracijami ionov v tekočem mediju, ki vsebuje žive celice ledvic sobaki.Metabolizm teh celic spremenila iz normalnem stanju za delovanje v odsotnosti kisika. Ta fenomen je spremljala povečana kislost, je postopoma razvijal, in so bile posnete s senzorjem GCM v realnem času. Tudi pri uporabi prve generacije vsebina za senzorje, spremeni resonančno frekvenco zaradi premika pH bilo veliko lažje prepoznavni kot pri vsaki drugi ukrep, ki spremeni s pomočjo magnetne resonance.

Sledenje lokalne spremembe pH v živih organizmih težko doseči (test krvi lahko to oceniti, ker je v mešanici iz različnih organov). Vendar pa lahko lokalne razlike v pH zagotavljajo dragocene informacije o razvoju številnih bolezni. Na primer, tumorske celice okoli pH rahlo nižja kot v normalnem tkivu. Vnetje povzroča tudi lokalno spremembo pH. Odkrivanje teh premikov je mogoče identificirati, na primer, prisotnost neodkritih tumorjev ali prisotnosti vnetja okoli kirurškega implantata.

"Seveda, da je takšna potencialna uporaba v živih organizmih še vedno daleč, - je dejal Gary sooča. - Naša raziskava izvedena in vitro. In nekateri izmed potencialnih zmogljivosti senzorja se lahko uporablja za biološka tkiva na splošno. Toda dolgoročni cilj je izboljšati tehniko do te mere, da se senzorji HCM lahko uporablja za biomedicinske namene. "

To zahteva, med drugim, nadaljnje miniaturizacije. HCM Senzorji premer 0,5-2 mikrometer dovolj majhen za večino ne-bioloških poskusov in poskusi in vitro, kot tudi, če je mogoče, za nekatere meritve in vivo. Vendar pa je predhodno eksperimentalno vrednotenje kažejo, da se senzor lahko zmanjšana na domnevno premer manj kot 100 nanometrov. To lahko odpre veliko dodatnih funkcij senzorjev, ki se uporabljajo v medicini in biologiji.

Ena izmed najbolj pomembnih značilnosti HCM senzorjev je, da lahko "prilagoditev", da se odzove na različne biokemijske statusa in odmevati v različnih delih radijskega spektra z ustreznimi spremembami v sestavi hidrogelnih sprememb v obliki in sestavi magnetnih diskov. Tako je s postavitvijo dveh različnih vrst HCM-senzorjev v enem in istem mestu, je mogoče slediti spremembam dveh različnih karakteristik v realnem času. Ta možnost raziskovalci dokazali s postavitvijo dveh senzorjev z različnimi lastnostmi v enem in istem mestu in ob signale od njih hkrati.

"Ideja je, da se razvijejo različne senzorje za zaznavanje različnih parametrov, učinkovito merjenje različnih potencialnih biomarkerjev ob istem času, ne samo enega naenkrat, da bi bolje razlikovali različne bolezni, - pravi Gary sooča. - Mislimo, da lahko ti senzorji lahko prilagodi za merjenje več različnih biomarkerjev, vključno z, mogoče, glukozo, lokalne temperature, koncentracije različnih ionov, prisotnost ali odsotnost različnih encimov, in tako naprej. "

RonGolfarb, vodja NIST`sMagneticsGroup, ugotavlja, da je delo Gary Sabo in njegovi kolegi nad geometrično kodiranih magnetnih senzorjev je "naravni podaljšek raziskave, ki jo je John Moreland ekipe objavljeno leta 2008. To delo je pokazala, kako micromagnet lahko deluje kot "pametne nalepke" za morebitno identifikacijo posameznih celic, tkiv ali fizioloških pogojih. Funkcionalno, GKM-senzorji so bolj moderno, se spreminjajo svojo obliko kot odgovor na dražljaj, ki deluje kot merilno napravo. Naslednji korak bo, da čim boljše načrtovanje in razvoj senzorjev za spremljanje velikosti njihovo množično proizvodnjo za ti senzorji na voljo raziskovalcem. "