Questo è uno schema in scala di un sensore elettronico a nanocavo attorcigliato che sonda la regione intracellulare di una cellula. Il dispositivo a due terminali ha una struttura tridimensionale e flessibile con l'elemento chiave del transistor su nanoscala integrato sinteticamente sulla punta della nanostruttura del nanofilo ad angolo acuto. Le nanosonde 3-D modificate con doppi strati fosfolipidici entrano nelle singole cellule in modo minimamente invasivo per consentire una solida registrazione del potenziale intracellulare. Credito:per gentile concessione di Charles Lieber, Università di Harvard.
I chimici e gli ingegneri dell'Università di Harvard hanno modellato i nanofili in un nuovo tipo di transistor a forma di V abbastanza piccolo da essere utilizzato per sondare l'interno delle cellule.
Il nuovo dispositivo, descritto questa settimana sul giornale Scienza , è più piccolo di molti virus e circa un centesimo della larghezza delle sonde ora utilizzate per effettuare misurazioni cellulari, che può essere grande quasi quanto le cellule stesse. La sua snellezza è un netto miglioramento rispetto a queste sonde più ingombranti, che possono danneggiare le cellule al momento dell'inserimento, riducendo l'accuratezza o l'affidabilità dei dati acquisiti.
"Il nostro uso di questi transistor ad effetto di campo su scala nanometrica, o nanoFET, rappresenta il primo approccio totalmente nuovo agli studi intracellulari da decenni, nonché la prima misurazione dell'interno di una cella con un dispositivo a semiconduttore, " dice l'autore senior Charles M. Lieber, il Mark Hyman, Jr. Professore di Chimica ad Harvard. "I nanoFET sono il primo nuovo strumento di misurazione elettrica per studi intracellulari dagli anni '60, durante il quale l'elettronica è progredita considerevolmente."
Questo mostra la consegna di un sensore a transistor su nanoscala a due terminali in singole celle. Il dispositivo ha una struttura tridimensionale e flessibile con l'elemento chiave del transistor ad effetto di campo su nanoscala integrato sinteticamente sulla punta della nanostruttura del nanofilo ad angolo acuto. Le nanosonde 3-D modificate con doppi strati fosfolipidici entrano nelle singole cellule in modo minimamente invasivo per consentire una solida registrazione del potenziale intracellulare. Credito:per gentile concessione di Charles Lieber, Università di Harvard.
Lieber e colleghi affermano che i nanoFET potrebbero essere utilizzati per misurare il flusso ionico o i segnali elettrici nelle cellule, in particolare i neuroni. I dispositivi potrebbero anche essere dotati di recettori o ligandi per sondare la presenza di singole sostanze biochimiche all'interno di una cellula.
Le cellule umane possono variare in dimensioni da circa 10 micron (milionesimi di metro) per le cellule nervose a 50 micron per le cellule cardiache. Mentre le sonde attuali misurano fino a 5 micron di diametro, i nanoFET sono diversi ordini di grandezza più piccoli:meno di 50 nanometri (miliardesimi di metro) di dimensione totale, con la sonda nanowire stessa che misura solo 15 nanometri di diametro.
Questa è un'immagine ottica di una nanosonda a nanofili a due terminali interiorizzata da una singola cella. Il dispositivo ha una struttura tridimensionale e flessibile con l'elemento chiave del transistor ad effetto di campo su nanoscala integrato sinteticamente sulla punta della nanostruttura del nanofilo ad angolo acuto. Le nanosonde 3-D modificate con doppi strati fosfolipidici entrano nelle singole cellule in modo minimamente invasivo per consentire una solida registrazione del potenziale intracellulare. Credito:per gentile concessione di Charles Lieber, Università di Harvard
A parte le loro piccole dimensioni, due caratteristiche consentono un facile inserimento dei nanoFET nelle cellule. Primo, Lieber e colleghi hanno scoperto che rivestendo le strutture con un doppio strato fosfolipidico - lo stesso materiale di cui sono fatte le membrane cellulari - i dispositivi vengono facilmente trascinati in una cellula tramite la fusione della membrana, un processo correlato a quello utilizzato per inghiottire virus e batteri.
"Questo elimina la necessità di spingere i nanoFET in una cella, poiché sono essenzialmente fusi con la membrana cellulare dal macchinario della cellula, " Dice Lieber. "Questo significa anche che l'inserimento di nanoFET non è così traumatico per la cellula come le attuali sonde elettriche. Abbiamo scoperto che i nanoFET possono essere inseriti e rimossi da una cellula più volte senza alcun danno visibile alla cellula. Possiamo persino usarli per misurare continuamente mentre il dispositivo entra ed esce dalla cella."
In secondo luogo, l'attuale documento si basa sul lavoro precedente del gruppo di Lieber per introdurre "stereocentri" triangolari - essenzialmente, giunti fissi a 120º - in nanofili, strutture che prima erano rigidamente lineari. Questi stereocentri, analogo ai centri chimici che si trovano in molte molecole organiche complesse, introdurre nodi nelle nanostrutture 1-D, trasformandoli in forme più complesse.
Lieber e i suoi coautori hanno scoperto che l'introduzione di due angoli di 120º in un nanofilo nel corretto orientamento cis crea un singolo angolo di 60º a forma di V, perfetto per un nanoFET a due punte con un sensore sulla punta della V. I due bracci possono quindi essere collegati a fili per creare una corrente attraverso il transistor su nanoscala.
