Нанобиомеханика (также бионаномеханика ) — это область нанонауки и биомеханики , которая объединяет мощные инструменты наномеханики для изучения фундаментальной науки о биоматериалах и биомеханике.
С момента введения ее основателем Юань-Чэн Фунгом , область биомеханики стала одним из разделов механики и биологии. В течение многих лет биомеханика изучала ткани . Благодаря достижениям в нанонауке масштаб сил , которые можно было измерить, а также масштаб наблюдения за биоматериалами был уменьшен до «нано» и «пико» уровня. Следовательно, стало возможным измерять механические свойства биологических материалов в наномасштабе . Это актуально для улучшения процессов тканевой инженерии и клеточной терапии. [1]
Большинство биологических материалов имеют различные иерархические уровни, и самые маленькие из них относятся к наномасштабу. Например, кость имеет до семи уровней биологической организации , а самый маленький уровень, то есть отдельные коллагеновые фибриллы и гидроксиапатитовые минералы, имеют размеры значительно ниже 100 нм. Поэтому возможность исследовать свойства в таких малых масштабах дает прекрасную возможность для лучшего понимания фундаментальных свойств этих материалов. Например, измерения показали, что наномеханическая гетерогенность существует даже внутри отдельных коллагеновых фибрилл размером всего 100 нм. [2]
Одной из наиболее важных тем в этой области является измерение крошечных сил, действующих на живые клетки, для распознавания изменений, вызванных различными заболеваниями , включая прогрессирование заболеваний. [1] [3] Например, было показано, что красные кровяные клетки, инфицированные малярией, в 10 раз жестче, чем нормальные клетки. [4] Аналогично было показано, что раковые клетки на 70 процентов мягче, чем нормальные клетки. [3] Ранние признаки старения хряща и остеоартрита были выявлены путем изучения изменений в ткани в наномасштабе. [5]
Распространенные методы в нанобиомеханике включают атомно-силовую микроскопию (АСМ), наноиндентирование и применение наночастиц . [6] [7] [8] Эти и другие методы могут применяться к соответствующим материалам, например: кости [6] и ее иерархическим составляющим, таким как отдельные коллагеновые фибриллы, отдельные живые клетки, актиновые нити и микротрубочки . [9]
Описание атомно-силовой микроскопии (АСМ) см. в разделе атомно-силовая микроскопия .
АСМ использовался для изучения наномасштабного уровня цитоскелета и его компонентов, внеклеточного матрикса и среды клетки. Понимание механики клетки, в том числе на наномасштабном уровне, тесно связано с пониманием этих молекул и структур. Поскольку все это влияет на поведение клетки, это полезно для тканевой инженерии. [7] Одним из примеров этого является применение исследователями режима постукивания АСМ для изучения восстановления кости из генетически модифицированных мезенхимальных клеток. С помощью этого метода они смогли визуализировать структуры в кости в наномасштабе, что предполагало наличие коллагена. [6]
АСМ также применялась для измерения механических свойств белков и других биомолекул в различных условиях посредством экспериментов по растяжению и сжатию. [10] Кроме того, она применялась для картирования механических свойств клеток и мембран, механотрансдукции , того, как клетки прилипают или отсоединяются в зависимости от поверхности, на которой они находятся, и их собственных молекул, а также жесткости клеток. [7]
Поскольку с помощью АСМ было показано, что метастатические клетки мягче доброкачественных клеток, механика раковых клеток может быть полезна для диагностики рака. [11] [7]
Описание наноиндентирования см. в разделе наноиндентирование .
Наноиндентирование применялось в биомеханических исследованиях. Один из примеров изучал восстановление кости из генетически модифицированных мезенхимальных клеток. Они сжали зонд с нанометровым радиусом как в нативную, так и в восстановленную кость и использовали его для изучения деформируемости ткани . Это дало им представление о механических свойствах кости, включая ее жесткость. Наноиндентирование также позволило им изучить сжимаемость кости с помощью кривых нагрузки и разгрузки. [6]
Кроме того, наноиндентирование может быть объединено с другими методами в конкретных исследованиях. Одним из примеров является наноиндентирование АСМ, которое применялось для изучения субклеточных компонентов в живых клетках . [1]
Описание наночастиц см. в разделе наночастицы .
Наночастицы влияют на клетки на наноуровне и являются одним из методов изучения механических свойств клеток и биоматериалов на наноуровне. Наночастицы влияют на то, как клетки прилипают к субстратам, и на жесткость клеток. Они также влияют на компоненты цитоскелета клетки , которые в свою очередь влияют на подвижность клеток, поскольку они связываются и взаимодействуют с такими структурами, как рецепторы и РНК . [8]
Поскольку эти наночастицы влияют на нанобиомеханику клеток , они являются ценными инструментами для их изучения. Например, наночастицы были внедрены на поверхности структур для изменения нанотопографической среды и повлияли на поведение клетки. Это включало в себя то, как клетки распространяются, как собираются компоненты цитоскелета и как клетки прикрепляются. Некоторые из включенных наночастиц обладают магнитными свойствами и использовались в сочетании с магнитными полями для детального контроля клеточных поверхностей и других исследований. [8]
Наночастицы полезны при изучении способов, которыми клетки адаптируют физические силы в биохимические сигналы, и механических свойств клеточных компонентов. Они также использовались в таких процессах, как микрореология отслеживания частиц . [8]