Промяна на формата на геометрично кодирани магнитен сензор може да се определи състоянието на дълбоко разположени тъкани

Учените, работещи с Националния институт за стандарти и технологии (NIST) и Националния институт по здравеопазване (NIH), разработени и демонстрираха ново, промяна на формата на сензора, размерът на около 1/100 от диаметъра на човешки косъм, което позволява да се получи високо информация чувствителност от биологична тъкан, не е било възможно с настоящата технология.

Ако, в крайна сметка, да бъде в състояние да постигне своята широка употреба, този проект може да окаже значително въздействие върху изследванията в областта на медицината, химията, биологията и инженеринг. Тази технология може да се използва в клиничната диагностика.

Понастоящем повечето опити за откриване на местните биохимични промени, такива като анормален рН и концентрация йон, - важни показатели за много заболявания, - въз основа на използването на различни наносензори които правят това с светлина при оптични честоти. Въпреки това, чувствителността и размери на получените оптични сигнали намалява бързо с нарастване на дълбочината на разположение на тъканта на тялото. Това ограничава повечето изследвания по-прозрачни и оптично достъпни тъкани.

Нова форма промени сонда, описано в списание Nature, не е предмет на тези ограничения. Тя дава възможност за откриване и измерване на местните условия на молекулярно ниво в дълбоките тъкани на тялото, за тяхното спазване на промените в реално време.

"Нашата устройство се основава на съвсем различни принципи на роботи, - казва Гари клане на NIST, ръководител на изследването с колегите Стивън Дод и Алън Coretchi от NIH.

-Instead измервания въз основа на оптично чувствителност, промяна на формата на сензора е предназначено да работи в радиочестотния спектър, по-специално, за да бъдат откриваеми за стандартен NMR или MRI техника. Тези Радиочестотните сигнали, например, едва атенюирани чрез биологични тъкани. "

В резултат на това те могат да дадат силен, отличителни сигнали от малък орган намира в дълбоките тъкани на тялото, или други места недостъпни за изследване с помощта на оптични сензори.

Новото устройство, наречено геометрично кодирани магнитен сензор (НСМ) е апарат метал-гел, размерът на 5-10 пъти по-малки от червените кръвни клетки, един от най-малките човешки клетки. Всеки от тях е съставен от две магнитни дискове, вариращи по размер от 0,5 до 2 микрона в диаметър и няколко нанометра дебелина. Между тези дискове има междинен слой от хидрогел - полимерна мрежа, която може да поеме различни количества вода в зависимост от неговата структура и химичен състав, промяна на обема си в доста голяма степен. Съотношението на нарастване зависи от химичните свойства на гела и околната среда около него. От друга страна, хидрогел може също да бъде намален размер в отговор на промените в околната среда. Хидрогелът, което изследователите, използвани в експериментите, увеличен обем в неутрална среда и намалява при по-ниски стойности на рН.

Увеличаване или намаляване на обема на хидрогела променя разстоянието (а оттам и на напрежението на магнитното поле) между два диска, а това на свой ред променя честотата, с която протоните на водните молекули около и вътре в гела резонира в отговор на радиочестотна радиация. Сканиране на пробата с помощта на бързо честотен диапазон определя настоящите форма наносензори ефективно изучаване условия на околната среда чрез промяната на резонансната честота, причинени от форма смяната сонди.

Експериментът, описан в Nature, учени опит сензори в разтвори с различно рН в разтвори с различни концентрации на йони в течна среда, съдържаща живите клетки на бъбреци sobaki.Metabolizm тези клетки се променили от нормалното състояние на операцията в отсъствието на кислород. Това явление е съпроводено с повишена киселинност, тя се развива постепенно, и са били записани от сензор за GCM в реално време. Дори и при използване на първото поколение неоптимизирани сензори, променя резонансната честота се дължи на промяната на рН са били много по-лесно се разпознава, отколкото използването на всяка друга мярка, която се променя с магнитен резонанс.

Проследяване на местните рН промени в живите организми е трудно да се постигне (кръвен тест може да се оцени това, тъй като той е смесен от различни органи). Въпреки това, местните вариации в рН могат да предоставят ценна информация за развитието на много заболявания. Например, туморните клетки около рН малко по-ниска, отколкото в нормалните тъкани. Възпаление също индуцира локален промяна на рН. могат да бъдат идентифицирани Откриването на тези промени, например, присъствието на неоткрити тумори или наличие на възпаление около хирургически импланта.

"Разбира се, до такава потенциална употреба в живите организми е все още е далеч, - каза Гари е изправен. - Нашето проучване, проведено ин витро. И някои от потенциалните възможности на сензора може да се приложи към биологичните тъкани като цяло. Но дългосрочната цел е да се подобри техниката ни до такава степен, че датчиците HCM могат да бъдат използвани за биомедицински цели. "

Това изисква, наред с други неща, допълнителна миниатюризация. HCM Сензори 0,5-2 микрометър диаметър достатъчно малък за повечето не-биологични експерименти и експерименти ин витро, както и, евентуално, за някои измервания ин виво. Въпреки това, предварителен експериментална оценка покаже, че сензорът може да бъде намалено до вероятно диаметър по-малък от 100 нанометра. Това може да отвори много допълнителни функции сензори, използвани в медицината и биологията.

Един от най-важните характеристики на HCM сензори е, че те могат да "коригира", за да се отговори на различни биохимични статус и резонират на различни части на радиочестотния спектър чрез подходящи промени в състава на промените на хидрогел във формата и състава на магнитни дискове. По този начин, чрез поставяне на два различни вида HCM-сензори в едно и също място, е възможно да следите промените на две различни характеристики в реално време. Тази вероятност учените доказали като поставите два сензори с различни характеристики на едно и също място и като сигналите от тях едновременно.

"Идеята е да се разработят различни сензори за откриване на различни параметри, ефективно измерване на различни потенциални биомаркери в същото време, а не само един по един, за да се разграничат по-добре на различни заболявания, - казва Гари е изправен. - Смятаме, че тези сензори потенциално могат да бъдат адаптирани за измерване на редица различни биомаркери, включително, може би, глюкоза, локално температура, концентрация на различни йони, присъствие или отсъствие на различни ензими, и така нататък ".

RonGolfarb, мениджър NIST`sMagneticsGroup, отбелязва, че "работата на Гари Sabo и колегите му през геометрично кодирани магнитни сензори е естествено продължение на изследването, което е публикувано от отбора Джон Moreland през 2008 година. Тази работа показа как micromagnet може да действа като "интелигентни етикети" за потенциалното идентифициране на специфични клетки, тъкани или физиологични условия. Функционално, GKM-сензори са по-модерни, те променя формата си в отговор на стимул, в качеството на устройство за измерване. Следващата стъпка ще бъде да се оптимизира проектирането и разработването на сензори за наблюдение на размера на тяхното производство в големи мащаби за тези сензори са станали достъпни за изследователи ".