Микроскопические магнитные зонды, которые меняют форму в зависимости от окружающей среды, могут значительно улучшить магнитно-резонансную томографию (МРТ). Однако производство зондов, которые все еще являются экспериментальными и еще не использовались на людях, требует доступа к чистой комнате и опыта в нанопроизводстве, что ограничивает их широкое использование.
Теперь исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) продвинули эти меняющие форму зонды, известные как магнитные датчики с геометрическим кодированием или GEMS, на шаг дальше, представив новый метод изготовления, который не только быстрее и дешевле, но и исключает потребность в специализированных инструментах.
Ученые сообщили о своей работе онлайн 19 декабря в журнале ACS Sensors.
Вместо того, чтобы строить крошечные зонды слой за слоем на предприятии по нанопроизводству, команда сконструировала их, используя прецизионную мастер-форму. Этот метод позволяет исследователям создавать GEMS в собственных лабораториях, используя недорогие материалы и легкодоступное оборудование.
Ученые NIST Гэри Забоу, Сэмюэл Обердик и их коллеги сосредоточили свои усилия на создании драгоценных камней в форме крошечных полых цилиндров, потому что эту форму можно легко изготовить с помощью формы. В качестве эталонной формы ученые сконструировали набор полых цилиндров из твердого кремния, каждый диаметром около 100 микрометров — примерно в десять раз больше, чем эритроцит.
Затем команда продемонстрировала, как исследователи с такой мастер-формой могут завершить многоэтапный процесс изготовления. Сначала ученые сделали мягкую форму «негатива» мастера, вылив жидкий полимер поверх твердой силиконовой формы, дав ему затвердеть, а затем сняв ее. В результате была создана гибкая форма с множеством цилиндрических полостей.
На следующем этапе ученые заполнили каждую полость жидким предшественником гидрогеля — сети сшитых полимеров, которые могут поглощать большое количество воды. Гидрогель, который был спроектирован так, чтобы сжиматься или набухать в ответ на изменения кислотности или других свойств микроокружения, является ключевым компонентом GEMS. Инженерные гидрогели недороги и просты в изготовлении.
После отверждения гидрогелей под воздействием ультрафиолетового света команда NIST вынула их из мягкой формы, подобно тому, как вынимают кубики льда из силиконового лотка. Цилиндрические гидрогели затем погружали в ванну с солями железа и переносили в основной раствор, который превращал соли железа, поглощенные гидрогелями, в частицы магнитного оксида.
Сила магнитного поля каждого гидрогеля имеет прямое отношение к МРТ, которая манипулирует крошечными магнитными полями протонов для визуализации внутренних структур человеческого тела. Протоны ведут себя как вращающиеся намагниченные волчки, каждый из которых изначально направлен в случайном направлении.
Аппарат МРТ выравнивает магнитное поле протонов со своим собственным сильным магнитным полем, а затем нарушает это выравнивание, щекоча протоны импульсом радиоволн на резонансной частоте, которая заставляет протоны поочередно «расслабляться» в свои исходные состояния, а затем снова выровняйтесь. Когда протоны циклически перемещаются между двумя состояниями, они излучают радиоволны , которые преобразуются в изображения МРТ.
При этом гидрогели меняют свою форму в ответ на изменения местных условий, в результате чего их магнитное поле усиливается или ослабевает.
Изменяющееся магнитное поле GEMS смещает резонансную частоту протонов, находящихся внутри зондов или рядом с ними. Измеряя сдвиг, МРТ может обнаружить, как GEMS изменили свою форму в ответ на определенное свойство в местной среде.
По словам Обердика, GEMS, созданные с помощью процесса мягкой формовки, могут быть адаптированы для изменения их формы в соответствии с множеством свойств окружающей среды, что позволяет исследователям использовать зонды для изучения целого ряда биомедицинских условий.
Теги: МРТ, полимеры
