(a) Illustrazione della struttura di un sensore quantistico in nanodiamante rivestito con un polimero pirogenico, e come funziona come nanoriscaldatore/termometro ibrido. (b) Immagine al microscopio elettronico di sensori ibridi. (c) Principio di funzionamento del sensore ibrido per la misura della conducibilità termica nanometrica. In un mezzo con elevata conducibilità termica, l'aumento di temperatura del sensore a diamante è moderato, perché il calore si diffonde facilmente. In contrasto, in un mezzo a bassa conducibilità termica, l'aumento della temperatura è notevolmente maggiore. La conduttività termica intracellulare può essere determinata misurando la variazione di temperatura dei sensori ibridi nelle celle. Credito:Università di Osaka
Un team di scienziati dell'Università di Osaka, l'Università del Queensland e la Facoltà di Ingegneria dell'Università Nazionale di Singapore hanno utilizzato minuscoli nanodiamanti rivestiti con un polimero a rilascio di calore per sondare le proprietà termiche delle cellule. Quando irradiato con la luce di un laser, i sensori fungevano sia da riscaldatori che da termometri, permette di calcolare la conducibilità termica dell'interno di una cella. Questo lavoro potrebbe portare a una nuova serie di trattamenti a base di calore per uccidere i batteri o le cellule tumorali.
Anche se la cellula è l'unità fondamentale di tutti gli organismi viventi, alcune proprietà fisiche sono rimaste difficili da studiare in vivo. Per esempio, la conduttività termica di una cella, così come la velocità con cui il calore può fluire attraverso un oggetto se un lato è caldo mentre l'altro lato è freddo, rimasto misterioso. Questa lacuna nella nostra conoscenza è importante per applicazioni come lo sviluppo di terapie termali che colpiscono le cellule tumorali, e per rispondere a domande fondamentali sul funzionamento delle cellule.
Ora, il team ha sviluppato una tecnica in grado di determinare la conduttività termica all'interno delle cellule viventi con una risoluzione spaziale di circa 200 nm. Hanno creato minuscoli diamanti rivestiti con un polimero, polidopamina, che emettono sia luce fluorescente che calore quando illuminati da un laser. Gli esperimenti hanno dimostrato che tali particelle non sono tossiche e possono essere utilizzate nelle cellule viventi. Quando all'interno di un liquido o di una cellula, il calore aumenta la temperatura del nanodiamante. In mezzi con elevata conducibilità termica, il nanodiamante non si surriscaldava perché il calore fuoriusciva velocemente, ma in un ambiente a bassa conducibilità termica, i nanodiamanti sono diventati più caldi. In modo cruciale, le proprietà della luce emessa dipendono dalla temperatura, così il team di ricerca ha potuto calcolare la velocità del flusso di calore dal sensore all'ambiente circostante.
(a) Aumenti di temperatura osservati con sensori ibridi in aria, acqua, olio, e all'interno della cella. Questi risultati sono coerenti con l'idea che aumenti di temperatura più elevati si verificano in solventi con conduttività termica minore. I valori di letteratura per la conducibilità termica dell'aria, acqua, e l'olio sono 0,026, 0,61, e 0,135 W/m* K, rispettivamente. (b) Immagine microscopica in campo chiaro di una cellula HeLa con un sensore ibrido all'interno. Credito:Università di Osaka
Avere una buona risoluzione spaziale ha consentito misurazioni in diverse posizioni all'interno delle celle. "Abbiamo scoperto che il tasso di diffusione del calore nelle cellule, misurato dai nanosensori ibridi, era parecchie volte più lento che nell'acqua pura, un risultato affascinante che attende ancora una spiegazione teorica completa e dipendeva dalla posizione, ", afferma l'autore senior Taras Plakhotnik.
"Oltre a migliorare i trattamenti a base di calore per il cancro, pensiamo che le potenziali applicazioni per questo lavoro si tradurranno in una migliore comprensione dei disordini metabolici, come l'obesità, ", afferma l'autore senior Madoka Suzuki. Questo strumento può essere utilizzato anche per la ricerca cellulare di base, Per esempio, monitorare le reazioni biochimiche in tempo reale.
L'articolo, "Misure in situ della conduttività termica intracellulare utilizzando nanosensori di diamante ibrido termometro riscaldatore, " è pubblicato in Progressi scientifici .
