Mijenja oblik geometrijski kodirane magnetski senzor može utvrditi stanje duboko postavljen tkiva

Naučnici sa Nacionalnog instituta za standarde i tehnologiju (NIST) i Nacionalnog instituta za zdravlje (NIH), razvio i pokazao novi, mijenja oblik senzora, veličine oko 1/100 promjera ljudske dlake, što omogućava da dobiju visoke informacije osjetljivost od biološkog tkiva, to nije bilo moguće sa sadašnjom tehnologijom.

Ako je, na kraju, biti u stanju da ostvari svoje široke upotrebe, ovaj projekat može imati značajan utjecaj na istraživanja u medicini, hemije, biologije i inženjering. Ova tehnologija se može koristiti u kliničkoj dijagnostici.

Trenutno, većina pokušaja da se otkrije lokalnim biohemijske promjene kao što su abnormalne pH i koncentracije jona, - važnih pokazatelja za mnoge bolesti, - zasniva na korištenju različitih nanosenzora da uradi sa svjetlom na optičkim frekvencijama. Međutim, osjetljivost i rješavanje primljenih optičkih signala naglo opao sa povećanjem dubine plasmana tkiva tijela. Ova ograničena većina studija transparentniji i optički dostupnim tkiva.

Nove promjene oblika sonda, opisano u časopisu Nature, nije predmet ovih ograničenja. To omogućava detekciju i mjerenje lokalnim uvjetima na molekularnom nivou u dubokim tkivima tijela, za promatranje promjena u realnom vremenu.

"Naš uređaj je baziran na potpuno različitim principima robota, - kaže Gary klanje NIST, koja je vodila studiju sa kolegama Stephen Dodd i Alan Coretchi iz NIH.

-Instead mjerenja na osnovu optičkog osjetljivost, mijenja oblik senzora je dizajniran za rad u radiofrekvencijskog spektra, posebno kako bi se otkriti za standardnu ​​NMR ili MRI uređaja. Ove RF signala, na primjer, teško oslabljena biološkim tkivima. "

Kao rezultat toga, oni mogu dati snažan, prepoznatljiv signali iz male orgulje nalazi u dubokoj tkivima tijela, ili drugim lokacijama nedostupni za proučavanje pomoću optičkih senzora.

Novi uređaj nazvan geometrijski kodirane magnetski senzor (HCM) je metal-gel aparat, veličina 5-10 puta manji od crvenih krvnih zrnaca, jedan od najmanjih ljudskih ćelija. Svaki se sastoji od dva magnetna diskova u rasponu veličina 0,5-2 mikrometara u promjeru i nekoliko nanometara debljine. Između ova diskovi imaju srednji sloj hidrogela - polimera mreže, koja može apsorbirati različite količine vode u zavisnosti od njegove strukture i kemijski sastav, mijenjaju svoj volumen u prilično velikoj mjeri. Odnos širenje ovisi o hemijskim svojstvima gela i okoliš oko njega. S druge strane, hidrogel može se smanjiti u veličini kao odgovor na promjene u lokalnom okruženju. Hidrogela, koji istraživači su koristili u svojim eksperimentima, povećan obim u neutralnom srednje i njegova smanjena na niže pH vrijednosti.

Povećati ili smanjiti jačinu hidrogela mijenja udaljenost (a time i napon magnetskog polja) između dva diska, a to, zauzvrat, mijenja frekvenciju na kojoj protona molekula vode oko i unutar gela odjekuju kao odgovor na radio-frekvenciji zračenja. Skeniranje uzorka pomoću brze frekvencijski opseg određuje sadašnjem obliku nanosenzora efikasno studiranje stanja životne sredine kroz promjenu u rezonantne frekvencije izazvane sonde koja menja oblik.

Eksperiment je opisano u časopisu Nature, naučnici iskusni senzora rješenja s različitim pH rješenja s različitim koncentracijama iona u tečnom mediju koji sadrži žive ćelije bubrega sobaki.Metabolizm ovih ćelija promijenjena u odnosu na normalno stanje za rad u odsustvu kisika. Ovaj fenomen je praćen povećanjem kiselosti, razvio postupno, a zabilježene su pomoću senzora GCM u realnom vremenu. Čak i kada se koristi prva generacija neoptimizovan senzora, mijenja rezonantna frekvencija zbog pH pomaka bili su mnogo lako prepoznatljivi nego pomoću bilo koje druge mjere koje se mijenjaju magnetnom rezonancom spektroskopijom.

Praćenje lokalnih pH promjene u živim organizmima teško postići (test krvi može procijeniti, jer se meša iz različitih organa). Međutim, lokalne varijacije u pH može pružiti vrijedne informacije o razvoju mnogih bolesti. Na primjer, tumorske stanice oko pH nešto niže nego u normalnim tkivima. Upala također izaziva lokalni pH promjene. Otkrivanje ovih pomaci se mogu prepoznati, na primjer, prisustvo neotkriven tumora ili prisustvo upala oko kirurških implantata.

"Naravno, da bi takav potencijalnu upotrebu u živim organizmima je još daleko, - rekao je Gary suočava. - Naša studija sprovedena in vitro. I neke od potencijalnih mogućnosti senzora se može primijeniti na biološkim tkivima općenito. Ali dugoročni cilj je da se poboljša naša tehnika u tolikoj mjeri da je HCM senzori mogu se koristiti za biomedicinske svrhe. "

Za to je potrebno, između ostalog, dalje minijaturizacija. HCM Senzori 0,5-2 mikrometara promjera dovoljno mali za većinu ne-biološke eksperimente i eksperimenata in vitro, kao i, eventualno, za neke mjerenja in vivo. Međutim, preliminarni eksperimentalne evaluacije pokazuju da je senzor može biti smanjen na vjerovatno promjera manje od 100 nanometara. To može otvoriti mnogo dodatnih funkcija senzori koji se koriste u medicini i biologiji.

Jedna od najvažnijih karakteristika HCM senzora je da oni mogu "prilagoditi" da odgovori na različite biokemijske statusa i rezonirati na različitim dijelovima radio spektra odgovarajućim promjenama u sastavu hidrogela promjene u obliku i sastavu magnetnih diskova. Na taj način, postavljanjem dva različita tipa HCM-senzora u jednom te istom mjestu, moguće je pratiti promjene dva različita svojstva u realnom vremenu. Ova mogućnost istraživači pokazali postavljanjem dva senzora sa različitim karakteristikama na jednom te istom mjestu i uzimajući signale od njih istovremeno.

"Ideja je da se razvije različitih senzora za otkrivanje različitih parametara, efikasno mjeriti razne potencijalnih biomarkera u isto vrijeme, a ne samo jedan po jedan, kako bi se bolje razlikovati različitih bolesti, - kaže Gary suočava. - Mislimo da ovi senzori potencijalno mogu biti prilagođeni za mjerenje više različitih biomarkera, uključujući, možda, glukoza, lokalna temperatura, koncentracija različitih iona, prisustvo ili odsustvo različitih enzima, i tako dalje. "

RonGolfarb, NIST`sMagneticsGroup menadžer, napominje da je "rad Gary Sabo i njegove kolege u odnosu na geometrijski kodirane magnetne senzore je prirodni nastavak istraživanja, koje je objavio John Moreland tim u 2008. godini. Ovaj rad je pokazao kako micromagnet može djelovati kao "pametne oznake" za potencijalne identifikaciju posebnih ćelija, tkiva, ili fiziološkim uvjetima. Funkcionalno, GKM-senzori su moderniji, oni mijenjaju oblik kao odgovor na stimulans, djeluje kao mjerni uređaj. Sljedeći korak će biti da se optimizirati dizajn i razvoj senzora za praćenje veličine njihove proizvodnje velikih razmjera za ovi senzori su postali dostupni istraživačima. "