Ezeket látta már?

Láthatatlanná tévő bevonat: gyógyszereknél és titkosításhoz is bevethető

Hírek
2024. március 22. 13:49
láthatatlan bevonat gyógyszer kutatás

A kutatók figyelmét felkeltette egy aprócska állat, amely mikroszkopikus, különleges geometriájú szemcsékből álló bevonata segíti a rejtőzködést, és vízhatlanságot nyújt az élőlénynek.

Egy gyakori háztáji levéltetű rovarfajta szervezete apró, titokzatos részecskéket választ ki, és köppenyként vonja be magát az anyaggal - a jelenség megihlette a Penn State kutatóit, akik tanulmánya szerint ezek a részecskék jelentős előrelépést jelenthet egy következő generációs technológia számára.

Különleges geometria

Első körben a csapat pontosan megismerte ezeknek a részecskéknek a bonyolult geometriáját. A különös alakzatokat brochoszómának hívják, több évtizede ismert a létezésük, és számos hasznos tulajdonságuk egyike, hogy vízhatlanná, tisztává teszik a rovart, illetve védelmet nyújt számára egyes kórokozók ellen. Az új modellezés és számítások azt mutatták, hogy mindez csak amolyan másodlagos feladat, a fő funkciója pedig vélhetően nem más, mint az állat álcázása, „láthatatlanná” tétel.

Ha tudnák, hogy teszi ezt, az lehetővé tenné bioinspirált optikai anyagok kifejlesztését, amelyek lehetséges alkalmazási területei a láthatatlanná tévő álcázó eszközöktől a bevonatokig a napenergia hatékonyabb begyűjtéséig terjednek, mondta Tak-Sing Wong gépészmérnök, az orvosbiológiai mérnök professzora, aki azt a tanulmányt vezette, amelyet március 18-án tettek közzé a Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) folyóiratban.

Az egyedi, apró részecskék szokatlan, futballlabda-szerű geometriájú üregei, és azok pontos funkciója az 1950-es évek óta rejtély a tudósok számára. 2017-ben Wong vezette a Penn State azon kutatócsoportját, amely elsőként hozta létre a brochoszómák alapvető, szintetikus változatát. A cél az volt, hogy a "modell" alapján jobban megértsék annak funkcióját.

A levéltetű és annak brokoszómái. (A) A Gyponana serpenta levéltetű optikai képe. (B) Pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) kép a levéltetű szárnyáról (az A panel kiemelt területe). (C és D) SEM-felvételek a levéltetű szárnyán lévő brochoszómákról, amelyeken látható az üreges, csatos golyószerű geometria. (E) Fókuszált ionnyaláb (FIB) technikával hasított természetes brochoszóma keresztmetszetét mutató SEM-kép. (F) A brokoszóma átmérője és a brokoszómák átmérője közötti kapcsolat a különböző levéltetűfajoknál. A brokoszóma átmérőjét és a lyukak átmérőjét kísérleti méréseink és egy irodalmi forrás (18) alapján határoztuk meg. Az illesztett szaggatott vonal azt jelzi, hogy az átmenő lyukak átmérője körülbelül 28%-a a megfelelő brochoszómák átmérőjének.Translated with DeepL.com (free version)

A levéltetű és annak brokoszómái. (A) A Gyponana serpenta levéltetű optikai képe. (B) Pásztázó elektronmikroszkópos (SEM) kép a levéltetű szárnyáról (az A panel kiemelt területe). (C és D) SEM-felvételek a levéltetű szárnyán lévő brochoszómákról, amelyeken látható az üreges, csatos golyószerű geometria. (E) Fókuszált ionnyaláb (FIB) technikával hasított természetes brochoszóma keresztmetszetét mutató SEM-kép. (F) A brokoszóma átmérője és a brokoszómák átmérője közötti kapcsolat a különböző levéltetűfajoknál. A brokoszóma átmérőjét és a lyukak átmérőjét kísérleti méréseink és egy irodalmi forrás (18) alapján határoztuk meg. Az illesztett szaggatott vonal azt jelzi, hogy az átmenő lyukak átmérője körülbelül 28%-a a megfelelő brochoszómák átmérőjének.Translated with DeepL.com (free version)

Forrás: PNAS


"Ez a felfedezés nagyon hasznos lehet a technológiai innovációk szempontjából" - mondta Lin Wang, a gépészmérnöki posztdoktori tudós és a tanulmány vezető szerzője. „A felületeken a fényvisszaverődés szabályozására irányuló új stratégiával talán elrejthetjük az emberek vagy a gépek hőjeleit. Talán egy nap az emberek kifejleszthetnek egy termikus láthatatlanná tévő köpenyt a levéltetűk által használt trükkök alapján. Munkánk megmutatja, hogy a természet megértése hogyan segíthet a modern technológiák fejlesztésében.”

Miért termel ilyen anyagot egy rovar?

Wang kifejtette, hogy bár a tudósok háromnegyed évszázada ismerik ezeket a brochoszóma részecskéket, azok laboratóriumi előállítása komoly kihívást jelent a részecskék geometriájának összetettsége miatt.

„Nem világos, hogy a levéltetűk miért termelnek ilyen összetett szerkezetű részecskéket” – mondta Wang. „Sikerült elkészítenünk ezeket a brochoszómákat csúcstechnológiás 3D-nyomtatási módszerrel a laboratóriumban, és bebizonyosodott, hogy ezek az üreges részecskék akár 94%-kal is csökkenthetik a fényvisszaverődést. Ez egy óriási felfedezés. Ez az első olyan természetben talált felfedezés, amely ilyen specifikus módon szabályozza a fényt.”

A ragadozók (pl. madarak, hüllők) kiválóan látnak ultraibolya tartományban, és a levéltetűket borító brochoszómák pont az ultraibolya elnyelésében a legjobbak, köszönhető a lyukacskák méretének, amelyek a látható fényt is szórják.

Az elméletek arról, hogy ez a rovarfaj miért vonja be magát ebben a különleges brochosoma páncélba, egészen a szennyeződésektől való védelemtől kezdve a vízhatlanságon át a szuperhősszerű láthatatlanná tevő köpenyig terjedtek. A brochosoma geometriájának új megértése azonban felveti annak a lehetőségét, hogy e különleges köpeny fő célja a ragadozók elkerülése - véleményezte Tak-Sing Wong gépészmérnök, az orvosbiológiai mérnök professzora, a tanulmány szerzője.

„Ebben a tanulmányban csak egy rovarfajra összpontosítottunk, de még sok csodálatos rovar lehet, amelyek anyagkutatókra várnak, hogy a tanulmányozásuk után segíthessenek különféle mérnöki problémák megoldásában. Ha úgy tetszik, ezek nem is bogarak; inspirátorok” - mondta el Lin Wang , a gépészmérnök posztdoktori oktatója.

A kutatók szerint rendkívül fontos a brochoszómában lévő lyukak mérete, amelyek üreges, futball-labdaszerű megjelenést kölcsönöznek neki. A méret a levéltetűk esetében egységes, a rovar testének méretétől független. A brochoszómák körülbelül 600 nanométer átmérőjűek – körülbelül feleakkorák, mint egyetlen baktérium –, a brochoszóma pórusai pedig körülbelül 200 nanométeresek.

„Ez arra késztet bennünket, hogy feltegyünk egy kérdést” – mondta Wong. „Miért ez a következetesség? Mi a titka annak, hogy körülbelül 600 nanométeres brochoszómák alakultak ki a rovaroknál körülbelül 200 nanométeres pórusokkal? Mi célt szolgál ez a mérnöki pontosság?”

A kutatók megállapították, hogy a brochoszómák egyedi kialakítása kettős célt szolgál:

  1. 1 elnyeli az ultraibolya (UV) fényt, ami csökkenti az UV-látó ragadozók, például a madarak és a hüllők láthatóságát,
  2. 2 és szétszórja a látható fényt, így tükröződésmentes pajzsot hoz létre a potenciális fenyegetésekkel szemben. A lyukak mérete tökéletes az ultraibolya frekvenciájú fény elnyelésére.

Ez potenciálisan sokrétű alkalmazáshoz vezethet a szintetikus brochoszómákat használó emberek számára, olyan technológiai célok eléréséhez jelent támpontot, mint a

  • hatékonyabb napenergia-begyűjtő rendszerek,
  • bevonatok, amelyek megvédik a gyógyszereket a fény által okozott károsodásoktól,
  • fejlett fényvédők a bőr napsérülései elleni jobb védelme érdekében,
  • vagy akár álcázó eszközök.

Mindezek teszteléséhez a csapatnak először szintetikus brochoszómákat kellett készítenie, ami önmagában is komoly kihívás

A 2017-es tanulmányukban a kutatók szintetikus anyagok felhasználásával utánozták a brochoszómák egyes jellemzőit, különösen az üregeket, és azok eloszlását. Ez lehetővé tette számukra, hogy megértsék az optikai tulajdonságokat. Azonban csak olyan verziót tudtak készíteni, ami brochoszómáknak tűnt - nem pedig olyat, ami a pontos másolata volt.

"Ez az első alkalom, hogy meg tudjuk alkotni a természetes brochoszóma pontos geometriáját" - mondta Wong, kifejtve, hogy a kutatóknak fejlett 3D-nyomtatási technológia segítségével sikerült méretezett szintetikus másolatokat készíteni a brochoszóma struktúrákról.

Kinyomtattak egy felnagyított változatot, amely 20 000 nanométer méretű volt, vagyis nagyjából az emberi hajszál átmérőjének egyötöde. A kutatók pontosan megismételték a pórusok alakját és morfológiáját, valamint a pórusok számát és elhelyezkedését 3D-s nyomtatással, hogy még mindig kicsi, ám az optikai jellemzéshez már elég nagy műbrochoszómákat állítsanak elő.

Nagy pontosságú 3D-nyomtatott szintetikus brochoszómák. ( A ) Egy SEM-kép, amely HCP szintetikus brochoszómák tömbjét mutatja, körülbelül 400 µm x 350 µm területen. A brochoszóma átmérője körülbelül 20 µm, az átmenő lyuk átmérője körülbelül 5 µm. ( B és C ) Szintetikus brochoszómák átmenő lyukakkal. ( D ) SEM-kép, amely egy szintetikus brochoszóma keresztmetszetét és belső geometriáját mutatja be. Pontosabban, az átmenő lyukak a brochoszóma központjában lévő üregen keresztül kapcsolódnak egymáshoz, szorosan utánozva a természetes brochoszómák szerkezetét. ( E – G ) A szintetikus brochoszómákat átmenő lyukak nélkül illusztráló SEM-képek és a hozzájuk tartozó keresztmetszetek.

Nagy pontosságú 3D-nyomtatott szintetikus brochoszómák. ( A ) Egy SEM-kép, amely HCP szintetikus brochoszómák tömbjét mutatja, körülbelül 400 µm x 350 µm területen. A brochoszóma átmérője körülbelül 20 µm, az átmenő lyuk átmérője körülbelül 5 µm. ( B és C ) Szintetikus brochoszómák átmenő lyukakkal. ( D ) SEM-kép, amely egy szintetikus brochoszóma keresztmetszetét és belső geometriáját mutatja be. Pontosabban, az átmenő lyukak a brochoszóma központjában lévő üregen keresztül kapcsolódnak egymáshoz, szorosan utánozva a természetes brochoszómák szerkezetét. ( E – G ) A szintetikus brochoszómákat átmenő lyukak nélkül illusztráló SEM-képek és a hozzájuk tartozó keresztmetszetek.

Forrás: PNAS


Micro-Fourier transzformációs infravörös (FTIR) spektrométert használtak annak vizsgálatára, hogy megvizsgálják, a brochoszómák hogyan lépnek kölcsönhatásba a különböző hullámhosszú infravörös fénnyel, segítve a kutatókat annak megértésében, hogy a struktúrák hogyan manipulálják a fényt.

"Ez az első alkalom, hogy meg tudjuk alkotni a természetes brochoszóma pontos geometriáját." - mondta Tak-Sing Wong , a gépészmérnök és az orvosbiológiai mérnök professzora.

A természet jó tanítója volt a tudósoknak az új anyagfejlesztésekben

A következőkben a kutatók a szintetikus brochoszóma-gyártás fejlesztését tervezik, hogy lehetővé tegyék a természetes brochoszómák kellő méretezésű termelését. A szintetikus brochoszómák további alkalmazási lehetőségeit is megvizsgálják, például az információ titkosítását, ahol brochoszóma-szerű struktúrákat lehetne használni egy olyan titkosítási rendszer részeként, ahol az adatok csak bizonyos fényhullámhosszokon láthatók.

Wang megjegyezte, hogy brochosom munkájuk a biomimetikai kutatási megközelítés értékét demonstrálja, ahol a tudósok a természetben keresnek inspirációt.

A Penn State-ből származó Wong és Wang mellett a tanulmány további kutatói közé tartozik Sheng Shen, a gépészmérnök professzora és Zhuo Li, a gépészmérnöki doktorandusz, a Carnegie Mellon Egyetemről. Wang és Li egyformán hozzájárultak ehhez a munkához, amelyre a kutatók ideiglenes amerikai szabadalmat nyújtottak be. A kutatást a Tengerészeti Kutatási Hivatal támogatta.

<KÖVETKEZŐ CIKK>

A hangunk alapján diagnosztizálható akár a rák is?



EGÉSZSÉGKALAUZ DOSSZIÉ

Kövesse az Egészségkalauz cikkeit a Google Hírek-ben , a Facebook-on, az Instagramon vagy a X-en, Tiktok-on is!

Forrás: PNAS
# láthatatlan # bevonat # gyógyszer # Kutatás # fényvisszaverődés # brochoszómák

TÜNETKERESŐ

pulzus ikon

Milyen betegségre utalhatnak a tünetei?

keresés

Keresés, pl. fejfájás

Írja be a keresőmezőbe a tünetet vagy kattintson a testmodellen arra a testrészre, ahol a tüneteket észleli.

emberi test ábra

Mi a tünetkereső?

Ingyenes tünetellenőrző, ami percek alatt segíthet beazonosítani a problémáját!

Adja hozzá a Híreket a Google hírfolyamához
Tünetkereső illusztráció Tünetkereső Orvos válaszol illusztráció Orvos válaszol Gyógyszerkereső illusztráció Gyógyszerkereső Kalkulátorok illusztráció Kalkulátorok

Extra ajánló

Értesüljön legújabb híreinkről hírlevelünkből

Legnépszerűbb

egészségkalauz logo

TÜNETKERESŐ

pulzus ikon

Milyen betegségre utalhatnak a tünetei?

keresés

Keresés, pl. fejfájás

Keresés