Лана (liana_lll) wrote,
Лана
liana_lll

Categories:

Био-нанотехнологии и чипы в живых клетках. Статья от 2010 (!) года

Непрерывная тенденция к миниатюризации "перевела взгляд" полупроводниковой промышленности в сторону нанотехнологий, поскольку ведущие производители чипов стремятся перейти к КМОП (комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник), применяющей 22-нм процессы.  С помощью транзисторов, размеры которых равны десяткам нанометров, исследователи начали изучать область взаимодействия биологии и электроники, интегрируя наноэлектронные компоненты в живые клетки. Раньше  ученые уже экспериментировали с внедрением живых клеток в полупроводниковые, а данное исследование изучает противоположный вариант, то есть вводит наноэлектронику в живые клетки.

Изучение отдельных клеток имеет огромное значение для биомедицины. В клетках протекает множество биологических процессов, часть из которых уникальна для каждой клетки. Развитие инструментов микро- и наноуровня, размеры которых меньше, чем размеры самих клеток, помогут изучить клеточные механизмы на уровне одной клетки. Все типы механических, биохимических, электрохимических и термических процессов смогут быть исследованы с помощью этих аппаратов.

Размер обычной клетки человеческого организма – около 10 квадратных микрометров, а это значит, что сотни современных транзисторов можно разместить внутри одной клетки.

Если текущий уровень миниатюризации будет продолжаться, к 2020 году примерно 2500 транзисторов – эквивалентных микропроцессорам первого поколения персональных компьютеров – смогут поместиться внутри одной типичной живой клетки.

Микро- и наноэлектронные технологии сегодняшнего дня уже позволяют нам производить такие сложные трехмерные структуры, как датчики и силовые приводы.  Уже сейчас может начаться массовое малобюджетное производство сложных структур, размеры которых меньше размеров клетки, с нанометрически точными параметрами и формами. Более того, многие материалы (полупроводники, металлы, изоляторы) могут быть использованы с точными параметрами в кремниевых чипах.

нано транзисторы, нано клетки

Плаза, исследователь из департамента микро- и наносистем Института микроэлектроники в Барселоне IMB-CNM (CSIC) вместе с командой коллег доказал, что кремниевые чипы, не превышающие размеры клетки, могут быть произведены, собраны и внедрены в живые клетки с помощью разных технологий (липосомная трансфекция, фагоцитоз или микроинъекция) и, что наиболее важно, они могут быть использованы как внутриклеточные датчики.

Плаза отмечает, что многие исследования имели дело с конструированием и изучением на клеточном уровне микро- и наночастиц различной формы и организации. Эти частицы по большей мере производятся в результате химического синтеза и уже продемонстрировали свое значительное влияние на развитие наномедицины.

"А кремниевые чипы показали практически бесконечные возможности применения во многих сферах современной жизни. Таким образом, задачей нашей работы было показать, что кремниевые чипы, созданные на уровне микро- и наночастиц, могут быть использованы в качестве внутриклеточных датчиков. Эти чипы изготовлены из типичного полупроводникового материала – кремния – и производятся с помощью обычных промышленных технологий на базе фотолитографических процессов".

Родриго Гомез Мартинез, первый автор работы, поясняет, что, по сравнению с микро- и наночастицами, внутриклеточные кремниевые чипы обладают рядом преимуществ:


  • нанометрическая точность формы и размеров;

  • интеграция многих различных материалов с разными размерами и параметрами;

  • трехмерное наноконструирование;

  • интеграция электроники;

  • интеграция механических деталей;

  • и все преимущества микро- и наноэлектромеханических систем.

В своих экспериментах испанская команда создала несколько серий поликремниевых чипов и затем выбрала наиболее подходящий тип аппарата с размерами в поперечном разрезе 1,5-3 нм и с толщиной 0,5 нм, чтобы поместить его внутри живой клетки. Для опытов были использованы клетки Dictyostelium discoideum и человеческие клетки HeLa.

С целью дальнейшей демонстрации многогранности этой методики, они изучили интеграцию различных материалов в один чип и их способность к трехмерному конструированию, используя другие микроэлектронные техники, например, измельчение сфокусированным ионным пучком.

нано транзисторы, нано клетки

"Предварительные эксперименты по развитию клеток HeLa с поликремниевыми чипами дало невысокие результаты по количеству внедренных внутриклеточных чипов, - отмечают Патриция Васкез и Тереза Суарез, биологи команды. - Тогда мы использовали липосомную трансфекцию (инкапсуляция материалов в липидный пузырек, который называется "липосома"), чтобы получить больше клеток, содержащих внедренные внутриклеточные чипы".

После помещения чипов в живые клетки исследователи убедились, что клетки все еще живы и здоровы. Они обнаружили, что более 90% клеток HeLa, содержащих чипы, остались жизнеспособными в течение 7 дней после липосомной трансфекции.

"Основываясь на результатах наших опытов, мы делаем вывод, что кремниевые внутриклеточные чипы могут быть приняты эукариотическими клетками без нарушения жизнеспособности клетки, и функциолизированные чипы могут быть использованы в качестве внутриклеточных датчиков, как только они начали взаимодействие с цитоплазмой клетки, - говорит Плаза. – Размеры этих чипов такие же, как и у многих синтезированных микро- и наночастиц, но они обладают преимуществами технологии кремниевых чипов. Внутриклеточные чипы предполагают более высокую гибкость и способность к изменению формы и размера, и они могут быть наноструктурированы в трех измерениях и интегрированы с другими материалами (полупроводниками, изоляторами, металлами) на уровне размера чипа".

Основное применение внутриклеточных чипов в будущем – это изучение отдельных клеток, в обнаружении заболеваний на ранних стадиях и новом механизме восстановления клеток.

Испанская команда предполагает, что внутриклеточные чипы на основе кремния обеспечат нескончаемые возможности для разработки инновационных приборов с внутриклеточным применением.

"В ближайшем будущем внутриклеточные чипы позволят производить снятие параметров и измерения на уровне одной клетки и наблюдение за происходящим в клетке в режиме реального времени, а еще – выбор зоны действия и эффективную доставку лечащих препаратов в выбранные клетки", - говорит Плаза.

То, что сделала испанская команда, - это только первый шаг в направлении инновационных внутриклеточных микро- и наноэлектромеханических систем, основанных на кремнии. Теперь задачи будущих исследований будут состоять в развитии новых технологий, чтобы производить микро- и наноэлектромеханические системы, меньшие по размеру, чем клетка (приборы с механическими, электрическими, магнитными и/или химическими составляющими).

Естественно, влияние этих структур на жизнеспособность клетки – фундаментальный вопрос. И хотя первичные наблюдения были многообещающими, есть необходимость в дальнейших систематических тестах на цитотоксичность и биосовместимость, если новые материалы или трехмерные структуры будут использоваться для внутриклеточного применения.

"Как эти аппараты будут взаимодействовать с живыми клетками и выполнять сенсорную деятельность – это новый захватывающий вопрос", - заявляет Плаза.

Отсюда

Tags: III Рим=III Рейх, Аненербе
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 0 comments