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石墨烯片可有效地捕獲細胞

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

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

    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合感興趣的特定分子，包括DNA和蛋白質，或甚至整個細胞。

    單個單元格可以包含關于個人健康的大量信息。現在，麻省理工學院和國立交通大學開發的一種新方法可以從小樣本的血液中捕獲和分析單個細胞，從而可能導致非常低成本的診斷系統，幾乎可以在任何地方使用。

    新系統基于特殊處理的氧化石墨烯片，最終可以產生各種簡單的裝置，可以生產低至5美元的零件，并執行各種敏感的診斷測試，即使在遠離典型的醫療設施的地方。

    右側處理的氧化石墨烯在捕獲細胞時的效率幾乎是左側未處理材料的兩倍

    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，其已經被廣泛研究了十多年。新工藝的關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合到材料的表面。這些化合物依次選擇并結合感興趣的特定分子，包括DNA和蛋白質，或甚至整個細胞。一旦捕獲，那些分子或細胞然后可以進行各種測試。

    研究結果在ACS Nano雜志上發表，由MIT博士后Neelkanth Bardhan和Priyank Kumar博士15合作撰寫，現為蘇黎世聯邦理工學院博士后；麻省理工學院生物工程與材料科學與工程學院James Mason工學教授Angela Belcher，以及Koch綜合癌癥研究所的成員；Jeffrey Grossman，Morton和Claire Goulder以及MIT環境系統的家庭教授；生物學教授，Whitehead生物醫學研究所成員Hidde L. Ploegh; 臺灣國立交通大學生物醫學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使用氧化石墨烯基板捕獲特定細胞或分子的診斷系統，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的表面圖案化，或者添加微流體通道，這增加了成本和復雜性。新的發現提供了大量可生產的，低成本的方法來實現這種效率的提高。

    加熱過程改變材料的表面性質，導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一套低成本診斷系統，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胞，這些細胞是某些癌癥的標志物。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胞的兩倍的效率。

    該系統還有其他優點。它允許在環境條件下在約10分鐘內快速捕獲和評估細胞或生物分子，并且不需要冷凍樣品或培養箱以進行精確的溫度控制。并且整個系統與現有的大規模制造方法兼容，使得可以生產小于5美元的診斷設備。這樣一來該設備便可以用于現場測試或資源受限的設置中。

    用于處理氧化石墨烯以允許表面官能化的現有方法需要高溫處理或使用苛刻的化學品，但是該組已經獲得專利的新系統不需要化學預處理和僅僅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光設備在內的各種應用成為可能，但對于這項工作，研究人員集中在提高捕獲細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處理的氧化石墨烯表面來實現，其可以廉價且容易地大量生產在生物反應器中，并且對特定生物分子具有高度選擇性。

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

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