211service.com
Nanodraden die zich gedragen als cellen
Onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory hebben silicium-nanodraadtransistors verzegeld in een membraan dat lijkt op dat van biologische cellen. Deze hybride apparaten, die op dezelfde manier werken als zenuwcellen, kunnen worden gebruikt om betere interfaces te maken voor prothetische ledematen en cochleaire implantaten. Ze kunnen ook goed werken als biosensoren voor medische diagnostiek.
Hybride nanodraad: De silicium nanodraad die in de microscoopafbeelding (boven) wordt getoond, is bedekt met een vettig membraan dat lijkt op het membraan dat biologische cellen omringt. De onderste afbeelding is een afbeelding van de twee lagen lipidemoleculen die de nanodraad omringen en deze afdichten van de omgeving. Ionen kunnen het membraan passeren via een ionenkanaal, hier afgebeeld in lavendel.
Biologische communicatie is geavanceerd en blijft ongeëvenaard in de hedendaagse elektronica, die afhankelijk is van elektrische velden en stromen. Cellen in het menselijk lichaam gebruiken veel extra communicatiemiddelen, waaronder hormonen, neurotransmitters en ionen zoals calcium. Het knooppunt van biologische communicatie is het celmembraan, een dubbele laag vetmoleculen bezaaid met eiwitten die fungeren als poortwachters en de eerste stappen in biologische signaalverwerking uitvoeren.
Aleksandr Noy , een chemicus bij het nationale laboratorium, gaf silicium nanodraden een celmembraan in de hoop betere bio-elektronica te maken. Als je moderne micro-elektronica kunt laten praten met levende organismen, kun je efficiëntere protheses maken of nieuwe soorten biosensoren voor medische diagnostiek, zegt Noy. Als de elektroden die een prothese verbinden met het zenuwstelsel bijvoorbeeld chemische signalen zouden kunnen lezen in plaats van alleen elektrische, zou de persoon die de prothese draagt misschien meer controle hebben over de prothese.
Noy begon met het maken van arrays van silicium-nanodraadtransistors - rijen van draden met een diameter van 30 nanometer aan beide uiteinden begrensd door elektrische contacten - met behulp van methoden die door andere onderzoekers zijn ontwikkeld. De arrays werden in een microfluïdisch apparaat geplaatst. Noy's groep gebruikte de microfluidica om holle bolletjes vetmembraanmoleculen af te leveren. De bollen worden aangetrokken door de negatief geladen oppervlakken van de nanodraden, waar ze zich ophopen en samensmelten om een doorlopend membraan te vormen dat elke nanodraad volledig afdicht, net zoals een biologisch membraan de inhoud van een cel afdicht. Naakte nanodraadtransistors vertonen een meetbare verandering in hun elektrische eigenschappen wanneer ze worden blootgesteld aan zure of basische oplossingen; de membraanbeschermde nanodraden niet, omdat de vetlaag de harde oplossing afschermt - net als een biologisch celmembraan.
Om de gecoate nanodraden elektrische poorten te geven - in wezen een middel om ze te laten reageren op de omringende chemische omgeving - voegde Noy eiwitten toe om ionenkanalen te vormen, die de stroom van geladen atomen en moleculen door celmembranen regelen. Wanneer ze in oplossing worden gebracht met de nanodraden, voegen deze eiwitten zichzelf in het membraan. Noy's groep testte de apparaten met twee soorten ionenkanalen: een die altijd kleine, positief geladen ionen doorlaat en een die dat alleen doet als reactie op een spanningsverandering die door de nanodraad kan worden geproduceerd. Dit spanningsgevoelige eiwit wordt vaak gebruikt om elektrische signalen van zenuwcellen na te bootsen. De nanodraden met ionenkanalen konden de aanwezigheid van ionen in de oplossing waarnemen. Door de nanodraad te gebruiken om een spanningsverschil over het membraan te creëren, kan het spanningsgevoelige eiwit worden geopend en gesloten, waardoor de nanodraad effectief zijn chemische detectievermogen kan in- of uitschakelen. Het neuron is in sommige opzichten een goede analoog, zegt Noy over deze apparaten.
Noy's werk, deze week beschreven in de Proceedings van de National Academy of Sciences , opent nieuwe wegen omdat het de nanodraden meer op cellen maakt, zegt Yi Cui , assistent-professor materiaalkunde en techniek aan de Stanford University. Met Charles Beste , een chemicus aan de Harvard University, heeft Cui silicium nanodraden tot zeer gevoelige sensoren gemaakt door de nanodraden te coaten met antilichamen. De sensoren zouden bijvoorbeeld bloedeiwitten kunnen detecteren die kenmerkend zijn voor kanker. Het werk van Noy, zegt Cui, is een heel creatieve manier om een transistor met een celmembraan te integreren. Door de nanodraden te coaten, kan Noy profiteren van alles wat biologische celmembranen te bieden hebben, inclusief het vermogen om spanningsveranderingen waar te nemen en erop te reageren, evenals ionen, eiwitten en andere biomoleculen. Deze functionaliteit kan niet worden bereikt met antilichamen, zegt Cui.
Vervolgens is Noy van plan om meer geavanceerde nanodraad-hybride apparaten te ontwikkelen. Tot nu toe is elk apparaat uitgerust met slechts één type ionenkanaal, wat de complexiteit van de functies die ze kunnen uitvoeren, beperkt. (Biologische cellen zijn gecoat met veel verschillende membraaneiwitten.)
De onderzoekers zullen ook beginnen met het testen van de interacties van de apparaten met levende cellen. Andere onderzoekers, waaronder: Peidong Yang aan de University of California, Berkeley, en Harvard's Lieber, hebben naakte silicium nanodraden gebruikt om te communiceren met neuronen, stamcellen, hartcellen en andere weefsels. Ze hebben aangetoond dat de nanodraden elektrische signalen kunnen verzenden en ontvangen met een zeer hoge ruimtelijke resolutie, zelfs in afzonderlijke cellen. Noy's eerste werk blijft een proof of concept.