Российская академия наук
Главный ботанический сад им.Н.В.Цицина
ЛАБОРАТОРИЯ БИОТЕХНОЛОГИИ РАСТЕНИЙ
 
 Главная  || БиоДайджест || Коллекция ||

В будущем био-нанотехнологии будут использовать компьютерные чипы внутри живых клеток
MedForce.ru Продолжающаяся миниатюризация перебазировалась  в полупроводниковую промышленность и в область нанотехнологий. С помощью транзисторов размером в десятые доли нанометров, исследователи приступили к изучению интерфейса биологии и электроники путем интеграции наноэлектронных компонентов и живых клеток.
 

ImageВ то время как одни исследователи уже экспериментируют с интеграцией живых клеток в полупроводниковые материалы,  другие исследователи идут противоположным путем, интегрируя наноэлектронику в живые клетки.

Изучение отдельных клеток имеет большое значение в биомедицине. Многие биологические процессы внутри клеток, и эти процессы различны в разных клетках. Развитие микро-и наномасштабных инструментов меньших, чем клетки, помогают понимать клеточные механизмы на уровне отдельных клеток. Все виды механических, биохимических, электрохимических и тепловых процессов могут быть исследованы с помощью этих устройств.

Типичный человеческая клетка имеет размер около 10 квадратных микрометров, и это значит, что сотни мельчайших транзисторов могли бы поместиться внутри одной клетки. Если нынешние темпы миниатюризации продолжатся, к 2020 году около 2,500 транзисторы - эквивалент микропроцессоров первого поколения персональных компьютеров - смогут быть внедрены внутрь типичной живой клетки.

"Сегодня процессы микро-и наноэлектроники уже позволяют нам производить сложные 3х-мерные микромасштабные структуры, такие как датчиков и актуаторы (исполнительные механизмы)"  сообщает  Хосе Антонио Плаза. "Комплексные структуры, меньшие, чем клетки, могут массово производиться с нанометрической точностью в форме и размерах и при низких затратах уже сегодня. Кроме того, много различных материалов (полупроводников, металлов и изоляторов) могут быть использованы в производстве кремниевых чипов с точными размерами и геометрией ".

Плаза, исследователь из Департамента микро-и наносистем, Институт Микроэлектроникик Барселоны IMB-CNM (CSIC), вместе с группой коллег, продемонстрировали, что можно производить кремниевые чипы по размерам меньше клеток, интегрировать их, и вживлять внутрь живых клеток различными методами (липофекция, фагоцитоз или микроинъекция) и, что самое главное, они могут быть использованы в качестве внутриклеточных датчиков.

Плаза отмечает, что многие исследования имеют дело с изготовлением и внедрением в клетки различных по форме и организации микро-и наночастиц. Эти частицы в основном производятся путем химического синтеза, и показано, что они оказывают большое влияние на наномедицину.

"Кремниевые чипы предоставляют практически бесконечные способы их применения во многих областях современной жизни. Эти микросхемы изготавливаются из типичного полупроводникового материала - кремния – с помощью общей промышленной технологии на основе процессов фотолитографии ".

Родриго Гомес-Мартинес, объясняет, что, по сравнению с микро-и наночастицами, внутриклеточные кремниевые чипы имеют несколько потенциальных преимуществ:

  •  Нанометрическая точность в форме и размерах
  •  Интеграция различных материалов с различными размерами и геометрией
  •  3D наноструктурирование
  •  Интеграция с электроникой
  •  Интеграция механических частей

В своих экспериментах, испанская команда произвела различные партии поликремниевых чипов, а затем выбрали наиболее подходящий тип, с поперечными размерами от 1,5-3мкм и толщиной от 0,5 мкм, для того, чтобы они смогли поместиться внутри живых клеток. Были взяты клетки Dictyostelium discoideum (диктиостелиум) и человеческие клетки HeLa.

Чтобы еще больше продемонстрировать универсальность техники, ученые изучили интеграции различных материалов в одном чипе, и возможность их 3D наноструктурирования, используя другие общие методы микроэлектроники.

"Предварительные эксперименты инкубации клеток HeLa с поликремниевыми чипами дали низкую продукцию внутриклеточных чипов" говорить Патриция Васкес (Patricia Vázquez) и Тереза Ципека (Teresa Suárez), биологи. "Затем мы использовали липофекцию (инкапсуляция материалов в липидные пузырьки, называемые липосомами), чтобы получить более высокий уровень ICC-содержащих клеток".

После внедрения чипов в живые клетки, исследователи убедились, что клетки остаются живыми и здоровыми. Они обнаружили, что более 90% от чип-содержащих популяций клеток HeLa остается жизнеспособной в течение 7 дней после липофекции.

"Основываясь на наших экспериментах, мы можем заключить, что созданные внутриклеточные чипы полностью на основе кремния могут быть усвоены живыми эукариотическими клетками, не влияя на их жизнеспособность. И функциональные чипы могли бы быть использован в качестве внутриклеточных датчиков, так как они могут взаимодействовать с цитоплазмой клеток", говорит Плаза. "Эти чипы имеют схожие размеры с многими синтезированными микро-и наночастицами, но они имеют преимущества технологии кремниевых чипов. Внутриклеточные чипы предоставляют более высокую гибкость и универсальность в выборе форм и размеров, и они могут быть наноструктурированы в трех измерениях и интегрированы с несколькими материалами (полупроводниками, изоляторами, металлами) на чипо-масштабном уровне ".

Основные области применения будущих внутриклеточных чипов будут находится в сфере изучения отдельных клеток, а также раннего выявления заболеваний и новых клеточных механизмов репарации.

Испанские ученые предполагают, что внутриклеточные кремниевые чипы предоставят безграничные возможности для разработки инновационных устройств с внутриклеточными приложениями.

"В ближайшем будущем, новые внутриклеточные чипы позволят количественно и качественно оценивать отдельные клетки, а также осуществлять мониторинг клеточных процессов in vivo и в режиме реального времени. Кроме того, они обеспечат специфическое маркирование активных участков клеток или эффективную доставку препаратов внутрь клеток-мишеней ", говорит Плаза.

Очевидно, что влияние этих структур на жизнеспособность клеток является основополагающим вопросом. Хотя первоначальные наблюдения были многообещающими, дальнейшие систематические исследования цитотоксичности и биосовместимости будут необходимы, если новые материалы или 3D структуры будут использоваться внутриклеточно.

"Как эти устройства будут взаимодействовать с живыми клетками и выполнять сенсорные виды деятельности - это новая увлекательная проблема" говорит Плаза
 [27/03/2010]
 

0
5 наиболее читаемых статей по теме:
Нанотехнологии:

· Гелиотропы из SiOx


· В будущем био-нанотехнологии будут использовать компьютерные чипы внутри живых клеток


· Зеленый нанотех: наночастицы золота под соевым соусом

· Отношение населения РФ к «простым» нанопродуктам. Нано-пластырь

· Трёхмерные чипы памяти – новые конкуренты жёстким дискам


Cвязанные рубрики

·Биология
·Биотехнология
·Генетика и генная инженерия
·Нанотехнологии
·Наука

 


 Главная || БиоДайджест || Коллекция ||



Открытие страницы: 0.349 секунды и 30 запросов к базе данных