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石墨烯片可有效地捕獲細(xì)胞

2017-03-07 12:14:09 作者：本網(wǎng)整理來源：烯盟資訊分享至：

    研究人員開發(fā)了一種新的方法來捕獲處理的氧化石墨烯表面上的細(xì)胞，這可以導(dǎo)致非常低成本的診斷系統(tǒng)的各種疾病。

    一項新的研究表明，氧化石墨烯薄片的溫和加熱使得可以將特定的化合物粘合到片材的表面。這些化合物依次選擇并結(jié)合感興趣的特定分子，包括DNA和蛋白質(zhì)，或甚至整個細(xì)胞。

    單個單元格可以包含關(guān)于個人健康的大量信息。現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院和國立交通大學(xué)開發(fā)的一種新方法可以從小樣本的血液中捕獲和分析單個細(xì)胞，從而可能導(dǎo)致非常低成本的診斷系統(tǒng)，幾乎可以在任何地方使用。

    新系統(tǒng)基于特殊處理的氧化石墨烯片，最終可以產(chǎn)生各種簡單的裝置，可以生產(chǎn)低至5美元的零件，并執(zhí)行各種敏感的診斷測試，即使在遠(yuǎn)離典型的醫(yī)療設(shè)施的地方。

    右側(cè)處理的氧化石墨烯在捕獲細(xì)胞時的效率幾乎是左側(cè)未處理材料的兩倍

    本研究中使用的材料是被稱為石墨烯的純碳的二維形式的氧化版本，由于其獨特的機械和電氣特性，其已經(jīng)被廣泛研究了十多年。新工藝的關(guān)鍵是在相對溫和的溫度下加熱氧化石墨烯。如已知的，這種低溫退火使得可以將特定化合物結(jié)合到材料的表面。這些化合物依次選擇并結(jié)合感興趣的特定分子，包括DNA和蛋白質(zhì)，或甚至整個細(xì)胞。一旦捕獲，那些分子或細(xì)胞然后可以進行各種測試。

    研究結(jié)果在ACS Nano雜志上發(fā)表，由MIT博士后Neelkanth Bardhan和Priyank Kumar博士15合作撰寫，現(xiàn)為蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院博士后；麻省理工學(xué)院生物工程與材料科學(xué)與工程學(xué)院James Mason工學(xué)教授Angela Belcher，以及Koch綜合癌癥研究所的成員；Jeffrey Grossman，Morton和Claire Goulder以及MIT環(huán)境系統(tǒng)的家庭教授；生物學(xué)教授，Whitehead生物醫(yī)學(xué)研究所成員Hidde L. Ploegh; 臺灣國立交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程助理教授陳冠玉，和白石研究所博士生Zeyang Li。

    其他研究人員一直在努力開發(fā)使用氧化石墨烯基板捕獲特定細(xì)胞或分子的診斷系統(tǒng)，但這些方法僅使用未處理的原材料。盡管進行了十年的研究，但是提高這種器件的效率的其它嘗試仍依賴于外部修改，例如通過光刻制造技術(shù)的表面圖案化，或者添加微流體通道，這增加了成本和復(fù)雜性。新的發(fā)現(xiàn)提供了大量可生產(chǎn)的，低成本的方法來實現(xiàn)這種效率的提高。

    加熱過程改變材料的表面性質(zhì)，導(dǎo)致氧原子聚集在一起，在它們之間留下裸石墨烯的空間。這使得將相對容易將其它化學(xué)品附著到表面，其可以與感興趣的特定分子相互作用。新的研究表明，基本過程如何能夠潛在地實現(xiàn)一套低成本診斷系統(tǒng)，例如用于癌癥篩查或治療隨訪。

    對于這個概念驗證測試，團隊使用的分子可以快速和有效地捕獲特定的免疫細(xì)胞，這些細(xì)胞是某些癌癥的標(biāo)志物。他們能夠證明，與使用普通的，未處理的氧化石墨烯制造的器件相比，它們處理的氧化石墨烯表面幾乎是從全血中捕獲這樣的細(xì)胞的兩倍的效率。

    該系統(tǒng)還有其他優(yōu)點。它允許在環(huán)境條件下在約10分鐘內(nèi)快速捕獲和評估細(xì)胞或生物分子，并且不需要冷凍樣品或培養(yǎng)箱以進行精確的溫度控制。并且整個系統(tǒng)與現(xiàn)有的大規(guī)模制造方法兼容，使得可以生產(chǎn)小于5美元的診斷設(shè)備。這樣一來該設(shè)備便可以用于現(xiàn)場測試或資源受限的設(shè)置中。

    用于處理氧化石墨烯以允許表面官能化的現(xiàn)有方法需要高溫處理或使用苛刻的化學(xué)品，但是該組已經(jīng)獲得專利的新系統(tǒng)不需要化學(xué)預(yù)處理和僅僅50至80攝氏度的退火溫度122至176°F。

    雖然團隊的基本處理方法可以使包括太陽能電池和發(fā)光設(shè)備在內(nèi)的各種應(yīng)用成為可能，但對于這項工作，研究人員集中在提高捕獲細(xì)胞和生物分子的效率，然后可以進行一系列測試。他們通過用被稱為納米抗體——抗體亞單位的肽酶處理經(jīng)處理的氧化石墨烯表面來實現(xiàn)，其可以廉價且容易地大量生產(chǎn)在生物反應(yīng)器中，并且對特定生物分子具有高度選擇性。

    研究人員發(fā)現(xiàn)，增加退火時間可以穩(wěn)定增加了細(xì)胞捕獲的效率：在9天的退火后，從全血中捕獲細(xì)胞的效率從未處理的氧化石墨烯的54％到經(jīng)處理的材料的92％。

    然后團隊進行分子動力學(xué)模擬，以了解氧化石墨烯基材料的反應(yīng)性的根本變化。團隊還通過實驗驗證的模擬結(jié)果表明，在退火時，一種類型的氧（羰基）的相對分?jǐn)?shù)隨著氧的其他類型的氧能（環(huán)氧和羥基）的增加而增加聚類。這種變化使得材料更具反應(yīng)性，這解釋了細(xì)胞捕獲劑的更高密度和細(xì)胞捕獲的提高的效率。

    “如果你想檢測罕見的事件，效率尤其重要，”Belcher說。“這個目標(biāo)是要顯示出高效率的捕獲。她說，這一基本概念證明之后的下一步是嘗試為特定疾病模型制作一個工作檢測器。

    Bardhan說，從原則上來講許多不同的測試可以合并在一個單一的設(shè)備上，所有這些可以放置在一個小玻璃載玻片像那些用于顯微鏡。