石墨烯片可有效地捕获细胞

2017-03-07 12:14:09 作者：本网整理来源：烯盟资讯分享至：

    研究人员开发了一种新的方法来捕获处理的氧化石墨烯表面上的细胞，这可以导致非常低成本的诊断系统的各种疾病。

    一项新的研究表明，氧化石墨烯薄片的温和加热使得可以将特定的化合物粘合到片材的表面。这些化合物依次选择并结合感兴趣的特定分子，包括DNA和蛋白质，或甚至整个细胞。

    单个单元格可以包含关于个人健康的大量信息。现在，麻省理工学院和国立交通大学开发的一种新方法可以从小样本的血液中捕获和分析单个细胞，从而可能导致非常低成本的诊断系统，几乎可以在任何地方使用。

    新系统基于特殊处理的氧化石墨烯片，最终可以产生各种简单的装置，可以生产低至5美元的零件，并执行各种敏感的诊断测试，即使在远离典型的医疗设施的地方。

    右侧处理的氧化石墨烯在捕获细胞时的效率几乎是左侧未处理材料的两倍

    本研究中使用的材料是被称为石墨烯的纯碳的二维形式的氧化版本，由于其独特的机械和电气特性，其已经被广泛研究了十多年。新工艺的关键是在相对温和的温度下加热氧化石墨烯。如已知的，这种低温退火使得可以将特定化合物结合到材料的表面。这些化合物依次选择并结合感兴趣的特定分子，包括DNA和蛋白质，或甚至整个细胞。一旦捕获，那些分子或细胞然后可以进行各种测试。

    研究结果在ACS Nano杂志上发表，由MIT博士后Neelkanth Bardhan和Priyank Kumar博士15合作撰写，现为苏黎世联邦理工学院博士后；麻省理工学院生物工程与材料科学与工程学院James Mason工学教授Angela Belcher，以及Koch综合癌症研究所的成员；Jeffrey Grossman，Morton和Claire Goulder以及MIT环境系统的家庭教授；生物学教授，Whitehead生物医学研究所成员Hidde L. Ploegh; 台湾国立交通大学生物医学工程助理教授陈冠玉，和白石研究所博士生Zeyang Li。

    其他研究人员一直在努力开发使用氧化石墨烯基板捕获特定细胞或分子的诊断系统，但这些方法仅使用未处理的原材料。尽管进行了十年的研究，但是提高这种器件的效率的其它尝试仍依赖于外部修改，例如通过光刻制造技术的表面图案化，或者添加微流体通道，这增加了成本和复杂性。新的发现提供了大量可生产的，低成本的方法来实现这种效率的提高。

    加热过程改变材料的表面性质，导致氧原子聚集在一起，在它们之间留下裸石墨烯的空间。这使得将相对容易将其它化学品附着到表面，其可以与感兴趣的特定分子相互作用。新的研究表明，基本过程如何能够潜在地实现一套低成本诊断系统，例如用于癌症筛查或治疗随访。

    对于这个概念验证测试，团队使用的分子可以快速和有效地捕获特定的免疫细胞，这些细胞是某些癌症的标志物。他们能够证明，与使用普通的，未处理的氧化石墨烯制造的器件相比，它们处理的氧化石墨烯表面几乎是从全血中捕获这样的细胞的两倍的效率。

    该系统还有其他优点。它允许在环境条件下在约10分钟内快速捕获和评估细胞或生物分子，并且不需要冷冻样品或培养箱以进行精确的温度控制。并且整个系统与现有的大规模制造方法兼容，使得可以生产小于5美元的诊断设备。这样一来该设备便可以用于现场测试或资源受限的设置中。

    用于处理氧化石墨烯以允许表面官能化的现有方法需要高温处理或使用苛刻的化学品，但是该组已经获得专利的新系统不需要化学预处理和仅仅50至80摄氏度的退火温度122至176°F。

    虽然团队的基本处理方法可以使包括太阳能电池和发光设备在内的各种应用成为可能，但对于这项工作，研究人员集中在提高捕获细胞和生物分子的效率，然后可以进行一系列测试。他们通过用被称为纳米抗体——抗体亚单位的肽酶处理经处理的氧化石墨烯表面来实现，其可以廉价且容易地大量生产在生物反应器中，并且对特定生物分子具有高度选择性。

    研究人员发现，增加退火时间可以稳定增加了细胞捕获的效率：在9天的退火后，从全血中捕获细胞的效率从未处理的氧化石墨烯的54％到经处理的材料的92％。

    然后团队进行分子动力学模拟，以了解氧化石墨烯基材料的反应性的根本变化。团队还通过实验验证的模拟结果表明，在退火时，一种类型的氧（羰基）的相对分数随着氧的其他类型的氧能（环氧和羟基）的增加而增加聚类。这种变化使得材料更具反应性，这解释了细胞捕获剂的更高密度和细胞捕获的提高的效率。

    “如果你想检测罕见的事件，效率尤其重要，”Belcher说。“这个目标是要显示出高效率的捕获。她说，这一基本概念证明之后的下一步是尝试为特定疾病模型制作一个工作检测器。

    Bardhan说，从原则上来讲许多不同的测试可以合并在一个单一的设备上，所有这些可以放置在一个小玻璃载玻片像那些用于显微镜。