Нанотопография - Nanotopography

Нанотопография относится к определенным поверхностным элементам, которые формируются или создаются на наноскопический масштаб. Хотя этот термин можно использовать для описания широкого спектра приложений, начиная от интегральные схемы к микрофлюидика, на практике его обычно наносят на поверхности с субмикронной текстурой, которые используются в биоматериалы исследование.

В природе

В природе идентифицировано несколько функциональных нанотопографий. Некоторые поверхности, такие как лист лотоса были поняты для применения наноразмерных текстур для абиотических процессов, таких как самоочищение.[1] С тех пор биомиметические применения этого открытия появились в потребительских товарах. В 2012 году было признано, что нанотопографии в природе также используются в антибиотических целях. Крыло цикада, поверхность которого покрыта столбиками нанометрового размера, вызывает лизис бактерий. Хотя не наблюдалось, что наностолбы препятствуют адгезии клеток, они действовали механически, растягивая микробные мембраны до разрушения. Тестирование крыла цикады in vitro продемонстрировало его эффективность против множества бактериальных штаммов.[2]

Производство

Доступны многочисленные технологии для производства нанорельефов. Методы высокой производительности включают функционализация плазмы, абразивоструйная очистка, и травление. Несмотря на низкую стоимость, эти процессы ограничены в контроле и воспроизводимости размеров и геометрии элементов.[3] Существуют методы, позволяющие повысить точность функций, среди них электронно-лучевая литография и осаждение частиц, но по сравнению с ними они медленнее и потребляют больше ресурсов. В качестве альтернативы такие процессы, как молекулярная самосборка могут использоваться, что обеспечивает повышенный уровень скорости производства и управления функциями.

Приложения к медицине

Хотя влияние нанотопографии на поведение клеток было признано только с 1964 года, некоторые из первых практических применений этой технологии были реализованы в области медицины.[4] Среди немногих клинических применений - функционализация титана. имплант поверхности с нанорельефом, полученные с помощью погружного травления и пескоструйной обработки. Эта технология была в центре внимания множества исследований, направленных на улучшение послеоперационной интеграции определенных компонентов имплантата. Детерминант интеграции варьируется, но, поскольку большинство титановых имплантатов ориентированы на ортопедию, остеоинтеграция это основная цель поля.

Приложения к клеточной инженерии

Нанотопография легко применяется к культура клеток и было показано, что он оказывает значительное влияние на поведение клеток в разных родословная.[4] Элементы подложки в наноразмерном режиме вплоть до порядка 9 нм способны сохранять некоторый эффект. Подверженные исключительно топографическим сигналам, самые разные клетки демонстрируют ответы, включая изменения в рост клеток и экспрессия гена.[5] Определенные закономерности могут вызвать стволовые клетки к различать по определенным путям.[6]Заметные результаты включают остеогенная индукция в отсутствие медиа компоненты[7] а также почти полное выравнивание клеток, как показано на гладкая мышца.[8] Потенциал топографических сигналов для выполнения ролей, в противном случае требующих компонентов среды на основе ксено, обеспечивает высокую переводимость для клинических приложений, поскольку регулирование и стоимость продуктов животного происхождения представляют собой серьезное препятствие для ряда технологий, связанных с клетками.

Рекомендации

  1. ^ Feng, L; и другие. (2002). «Супергидрофобные поверхности: от натуральных к искусственным». Современные материалы. 14 (24): 1857–1860. Дои:10.1002 / adma.200290020.
  2. ^ Иванова Елена П .; Хасан, Джафар; Уэбб, Хайден К .; Чыонг, Ви Кхань; Уотсон, Грегори С .; Watson, Jolanta A .; Баулин, Владимир А .; Погодин, Сергей; Ван, Джеймс Й .; Тобин, Марк Дж .; Лёббе, Кристиан; Кроуфорд, Рассел Дж. (2012). «Природные бактерицидные поверхности: механический разрыв клеток Pseudomonas aeruginosa от крыльев цикады». Маленький. 8 (16): 2489–2494. Дои:10.1002 / smll.201200528. ISSN  1613-6810. PMID  22674670.
  3. ^ Стивенс, Б. и другие. (2008). «Обзор материалов, методов изготовления и стратегий, используемых для улучшения регенерации костной ткани в сконструированных костных тканях». Журнал исследований биомедицинских материалов, часть B: Прикладные биоматериалы. 85 (2): 573–582. Дои:10.1002 / jbm.b.30962.
  4. ^ а б Curtis, A.S.G .; Варде М (1964). «Управление поведением клеток: топологические факторы». Журнал Национального института рака. 33 (1): 15–26. Дои:10.1093 / jnci / 33.1.15. PMID  14202300.
  5. ^ Le Guehennec, L; и другие. (2007). «Обработка поверхности титановых дентальных имплантатов для быстрой остеоинтеграции». Стоматологические материалы. 23 (7): 844–854. Дои:10.1016 / j.dental.2006.06.025. PMID  16904738.
  6. ^ McNamara, L.E .; McMurray, R.J .; Biggs, M. J. P .; Kantawong, F .; Oreffo, R.O.C .; Далби, М. Дж. (2010). «Нанотопографический контроль дифференциации стволовых клеток». Журнал тканевой инженерии. 1 (1): 120623–120623. Дои:10.4061/2010/120623. ISSN  2041-7314. ЧВК  3042612. PMID  21350640.
  7. ^ Далби, Мэтью Дж .; Гадегаард, Николай; Таре, Рахул; Андар, Абхай; Riehle, Mathis O .; Герзик, Павел; Уилкинсон, Крис Д. В .; Ореффо, Ричард О. С. (2007). «Контроль дифференцировки мезенхимальных клеток человека с помощью наноразмерной симметрии и беспорядка». Материалы Природы. 6 (12): 997–1003. Дои:10.1038 / nmat2013. ISSN  1476-1122. PMID  17891143.
  8. ^ Йим, Эвелин К.Ф .; Дорогой, Эрик М .; Кулангара, Карина; Гилак, Фаршид; Леонг, Кам В. (2010). «Вызванные нанотопографией изменения очаговых спаек, организации цитоскелета и механических свойств мезенхимальных стволовых клеток человека». Биоматериалы. 31 (6): 1299–1306. Дои:10.1016 / j.biomaterials.2009.10.037. ISSN  0142-9612. ЧВК  2813896. PMID  19879643.