Nanobiomecánica
La nanobiomecánica (també bionanomecánica ) és un camp emergent en nanociencia i biomecánica que combina les poderoses ferramentes de la nanomecánica per a explorar la ciència fonamental dels biomateriales i la biomecánica.
Des de l'introducció per part del seu fundador Yuan-Cheng Fung, el camp de la biomecánica s'ha convertit en una de les branques de la mecànica i la biociencia. Durant molts anys, la biomecánica ha examinat els teixits. Gràcies als alvanços en la nanociencia, l'escala de les forces que podien medir-se i també l'escala d'observació dels biomateriales es va reduir al nivell "nano" i "pico". En conseqüència, va ser possible medir les propietats mecàniques dels materials biològics a nanoescala. Açò és rellevant per a millorar els processos d'ingenieria de teixits i la teràpia celular. [1]
La majoria dels materials biològics tenen diferents nivells jeràrquics, i els més menuts es referixen a la nanoescala. Per eixemple, l'os té fins a sèt nivells d'organisació biològica, i el nivell més menut, és dir, la fibrilla de colágeno única i els minerals d'hidroxiapatita, tenen dimensions molt per baix de 100. Nou Mèxic. Per lo tant, poder estudiar propietats a esta chicoteta escala proporciona una gran oportunitat per a comprendre millor les propietats fonamentals d'estos materials. Per eixemple, les medicions han demostrat que existix heterogeneïtat nanomecánica inclús dins de fibrillas de colágeno individuals tan chicotetes com 100 nm. [2]
Un dels atres temes més rellevants en este camp és la medició de forces diminutes sobre les cèlules vives per a reconéixer els canvis causats per diferents malalties, inclosa la progressió de la malaltia. [1] [3] Per eixemple, s'ha demostrat que els glòbuls rojos infectats per la malaria són 10 voltes més rígits que les cèlules normals. [4] Aixina mateix, s'ha demostrat que les cèlules canceroses són un 70 per cent més blanes que les cèlules normals. [3] Els primers signes d'envelliment del cartílec i osteoartritis s'han demostrat en observar els canvis en el teixit a nanoescala. [5]
Métodos, instrumentació i aplicació
[editar | editar còdic]
Els métodos comuns en nanobiomecánica inclouen la microscopía de força atòmica (AFM), la nanoindentación i l'aplicació de nanopartículas. [6] [7] [8] Estos i atres métodos poden aplicar-se a materials rellevants, per eixemple: os [6] i els seus constituents jeràrquics, com fibrillas de colágeno individuals, cèlules vives individuals, filaments d'actina i microtúbuls. [9]
Força atòmica microscòpica
[editar | editar còdic]Per a obtindre una descripció de la microscopía de força atòmica (AFM), consulte microscopía de força atòmica.
AFM s'ha utilisat per a estudiar el nivell a nanoescala del citoesquelet i els seus components, la matriu extracelular i l'entorn celular. Comprendre la mecànica de les cèlules, inclús a nivell nanoescalar, està molt relacionat en la comprensió d'estes molècules i estructures. Com tot açò afecta el comportament de la cèlula, és beneficiós per a l'ingenieria de teixits. [7] Un eixemple d'açò és quan els investigadors varen aplicar AFM en modo tapping per a estudiar la reparació òssea a partir de cèlules mesenquimales genèticament modificades. Per mig d'este método, varen poder obtindre imàgens d'estructures en l'os a nanoescala que sugerien la presència de colágeno. [6]
AFM també s'ha aplicat per a medir les propietats mecàniques de proteïnes i atres biomoléculas en una varietat de condicions per mig d'experiments d'extensió i compressió. [10] Ademés, s'ha aplicat al mapage de les propietats mecàniques de les cèlules i membranes, la mecanotransducción, cóm les cèlules s'adherixen o es desprenen en funció de la superfície en la que es troben i de les seues pròpies molècules, i la rigidea de les cèlules. [7]
Com s'ha demostrat que les cèlules metastásicas són més blanes que les cèlules benignas utilisant AFM, la mecànica de les cèlules canceroses pot ser útil per a diagnosticar el càncer. [11] [7]
Nanoindentación
[editar | editar còdic]Per a obtindre una descripció de la nanoindentación, consulte nanoindentación.
La nanoindentación s'ha aplicat a estudis biomecánicos. Un eixemple va estudiar la reparació òssea a partir de cèlules mesenquimales modificades genèticament. Varen comprimir una sonda en un radi nanométrico tant en l'os natiu com en el de reparació i la varen utilisar per a estudiar la deformabilidad del teixit. Açò els va permetre conéixer les propietats mecàniques de l'os, inclosa la seua rigidea. La nanoindentación també els va permetre estudiar la compresibilidad de l'os per mig de curves de càrrega i descàrrega. [6]
Ademés, la nanoindentación es pot combinar en atres métodos en estudis específics. Un eixemple és la nanoindentación AFM, que s'ha aplicat per a estudiar components subcelulares en cèlules vives. [1]
Nanopartículas
[editar | editar còdic]Per a obtindre una descripció de les nanopartículas, consulte nanopartículas.
Les nanopartículas afecten a les cèlules a nivell de nanoescala i són un método per a estudiar les propietats mecàniques de les cèlules i els biomateriales a nivell de nanoescala. Les nanopartículas afecten la forma en que les cèlules s'adherixen als substrats i la rigidea de la cèlula. També afecten als components del citoesquelet de la cèlula, que a la seua volta afecten la motilidad celular a mida que s'unixen i interactuen en estructures com els receptors i l'ARN. [8]
Com estes nanopartículas afecten la nanobiomecánica de les cèlules, són ferramentes valioses per a estudiar-les. Per eixemple, s'han incrustat nanopartículas en les superfícies d'estructures per a alterar l'entorn nanotopográfico i varen afectar el comportament de la cèlula. Açò va incloure cóm es propaguen les cèlules, cóm es ensamblan els components del citoesquelet i cóm s'unixen les cèlules. Algunes nanopartículas incloses tenen propietats magnètiques i s'han utilisat junt en camps magnètics per al control detallat de les superfícies celulars i atres estudis. [8]
Les nanopartículas són útils per a estudiar les formes en que les cèlules adapten les forces físiques en senyals bioquímiques i les propietats mecàniques dels constituents celulars. També s'han utilisat en processos com la microrreología de seguiment de partícules. [8]
Nanobiomecánica computacional
[editar | editar còdic]Ademés de l'aspecte experimental, l'investigació s'ha anat ampliant a través de métodos computacionals. Les simulacions de dinàmica molecular (MD) han proporcionat una gran cantitat de coneiximents en esta àrea. Encara que la simulació MD encara està llimitada a un chicotet número d'àtoms i molècules, per la llimitació en el rendiment computacional, ha demostrat ser una branca instrumental d'este camp emergent.
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ 1,0 1,1 1,2 Interface Focus.4(2)
- 20130055.ISSN 2042-8898.doi:10.1098/rsfs.2013.0055.
- ↑ Biomacromolecules.10(9)
- 2565–70.doi:10.1021/bm900519v.
- ↑ 3,0 3,1 «The Feel of Cancer Cells». Technology Review. MIT. Consultat el 2011-02-23.
- ↑ «Nanobiomechanics». Technology Review. MIT. Consultat el 2011-02-23.
- ↑ Nature Nanotechnology.4(3)
- 186–92.doi:10.1038/nnano.2008.410.
- ↑ 6,0 6,1 6,2 6,3 Nature Materials.6(6)
- 454–62.doi:10.1038/nmat1911.
- ↑ 7,0 7,1 7,2 7,3 Advanced Healthcare Materials.4(16)
- 2456–2474.doi:10.1002/adhm.201500229.
- ↑ 8,0 8,1 8,2 8,3 Advanced Materials.30(19)
- 1704463.ISSN 1521-4095.doi:10.1002/adma.201704463.
- ↑ Physical Review Letters.89(24)
- 248101.doi:10.1103/PhysRevLett.89.248101.
- ↑ Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences.363(1500)
- 2163–2171.ISSN 0962-8436.doi:10.1098/rstb.2008.2269.
- ↑ Disease Markers.18(4)
- 175–183.ISSN 0278-0240.doi:10.1155/2002/874157.
- Este artícul conté una traducció derivada de «Nanobiomecánica» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.