Nova técnica utilizando as tecnologias existentes permite uma vista sem precedentes de células e outros materiais macios


Nanotecnologia

A nova abordagem dá aos pesquisadores informações sobre a mecânica de materiais macios, tais como as proteínas que compõem a nossa pele e cabelo e longas cadeias de moléculas conhecidas como polímeros, diz Igor Sokolov



Pesquisadores da Tufts University foram pioneiros de uma nova maneira de estudar as propriedades das células em resoluções e velocidade sem precedentes, permitindo-lhes analisar de forma mais precisa, por exemplo, as diferenças entre as células cancerígenas e as saudáveis. A técnica poderia levar a testes de diagnóstico mais rápidos e mais precisos para uma série de doenças ou mesmo oferecer insights sobre como nós envelhecemos.


Usando uma combinação de tecnologias de espectroscopia existentes, Igor Sokolov, um professor de engenharia mecânica e biomédica, e pós-pesquisador Maxim Dokukin gerado dados mecânicos a partir de tecidos e outros tipos de materiais biológicos "soft" em resoluções até 100 vezes melhor do que os métodos atuais. A pesquisa foi publicada neste verão em relatórios científicos, uma revista de acesso aberto posto para fora pelo grupo que produz a revista Nature. O trabalho foi financiado principalmente pela Fundação Nacional de Ciência.

Sokolov compara o avanço da nova técnica para a diferença entre o microscópio óptico, inventado no século 16, e microscopia eletrônica de varredura, desenvolvido em 1931. Com um alcance óptico, você pode ver objetos mais ou menos o tamanho de um vírus grande, cerca de 200 a 300 nanómetros.

Microscópios eletrônicos de varredura, pelo contrário, pode imagem objetos tão pequenos quanto 1 a 20 nanômetros, sobre o tamanho dos grandes moléculas em DNA. Mas eles não são úteis com materiais orgânicos, diz Sokolov.

A equipe de Sokolov dispositivo inventou-a que eles chamam FT-nanoDMA, porque emprega transformada de Fourier (FT) e espectroscopia dinâmico-mecânica (DMA) até a nanoescala (nano), pode se reunir com precisão informações sobre materiais macios até 10-50 nanómetros.

E ele pode fazer isso rapidamente, tendo menos de um segundo por ponto superfície para retransmitir para trás propriedades de uma área de 100-by-100-pixel em apenas de algumas horas. Isso é comparado com os 23 dias os concorrentes tecnologias existentes exigem. A nova técnica pode também fazer algo que os outros não podem-estudo propriedades mecânicas dinâmicas de células individuais. É nessa escala ", onde novas coisas normalmente acontecem", diz Sokolov.

A nova abordagem dá aos pesquisadores informações sobre a mecânica de materiais macios, tais como as proteínas que compõem as nossas cadeias de pele e cabelo e longas de moléculas conhecidas como polímeros, que quer ocorrem naturalmente ou são manipuladas. O novo método mede uma característica conhecida como capacidade viscoelasticity-um material para esticar sob pressão e saltar para trás a uma velocidade definida-pensar Silly Putty contra um elástico.


Os dados resultantes podem ser utilizadas para avaliar as propriedades das células malignas e as saudáveis, com o potencial para o desenvolvimento de testes de diagnóstico, rápidas e precisas, diz Sokolov. Melhor visão para as propriedades mecânicas de outros tipos de células também poderiam lançar luz sobre doenças vasculares e renais, doença de Alzheimer, catarata e até mesmo o processo de envelhecimento, para citar alguns, diz ele.

Um Santo Graal da Nanomecânica


Pense em como as células da pele mudar à medida que envelhecemos. "Eles ficam dramaticamente mais dura", diz Sokolov. "Podemos ver as diferenças de pormenor as características biomecânicas das células? Podemos corrigir rigidez-celular de idade para devolvê-lo de volta para o jovem nível?"

Os pesquisadores medem tipicamente viscoelasticity testando materiais em várias freqüências, ou taxas de vibrações.

Cientistas percorrer estas freqüências, um de cada vez, como clicar através de canais de TV com um controle remoto, e examinar as propriedades mecânicas em cada "estação". A descoberta pela equipe de Sokolov surgiu quando eles descobriram uma maneira de usar todo o espectro de frequências. Eles decidiram, "por que não experimentá-los todos de uma vez?"

Que não tinha sido feito antes, Sokolov diz, porque "você teria cross-talk", ou interferência entre as freqüências.

"Demorou sete anos para entender como poderíamos fazê-lo, mas agora temos um dispositivo que faz isso com precisão."
Enquanto o novo método está de ponta-Sokolov chama de "um Santo Graal da nanomecânica" -é carece de uma característica normalmente associada a inovações de alta tecnologia: um preço robusto. Isso porque o grupo de tecnologias seu dispositivo emprega, incluindo microscopia de força atômica (AFM), foram em torno de 20 anos ou mais. Usá-los juntos exige pouco mais do que algum software adicional computador para sincronizar as várias tecnologias. "Ele pode ser facilmente implementado em AFMs existentes a um custo moderado e deve proporcionar impacto imediato", diz Sokolov.

Microscopia de força atômica foi um, se não o, major ferramenta responsável pelo aparecimento da nanotecnologia, observa Sokolov, que tem vindo a utilizar AFM por mais de duas décadas. Ao desenvolver esta nova técnica de imagem, ele e seus colegas têm expandido o alcance da AFM, permitindo-lhe quantificar novas características dos materiais a uma escala previamente inacessíveis.

"E ele vai conseguir isso mais de 100 vezes mais rápido", acrescenta Sokolov. "Isto irá abrir uma nova dimensão na caracterização de propriedades mecânicas de materiais macios."



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