【参赛作品】分形捕获:更有效地选择性识别癌细胞新方法

分形结构由于其独特的形态优势,在自然界中十分常见,如血管系统,神经元细胞以及气管支气管等,可有效增加营养素,氧气/二氧化碳或者神经的传感及传导。因此,人工模拟的分形结构受到了广泛关注,并已开发出许多新颖的分形材料,应用在传感器、太阳能电池、超级电容器等领域。近来,在对癌症细胞的研究中发现,分形结构广泛存在于癌症细胞中。相对于正常细胞,癌细胞的分形结构使得其具有更高的分形维度和比表面积,因而分形结构可被利用来有效检测人体中癌细胞的数量;另外,高度的选择性捕获癌细胞也可促进癌细胞的识别诊断。但是,高度有效地选择性识别癌细胞的材料和技术仍未得到完善开发,程序化的识别方法仍有待改善。

中科院王树涛课题组近来对此问题进行了一系列的研究工作。仿生的分形纳米金颗粒被有效合成出来,并应用在血液中的癌细胞检测。如图所示,通过改变电压范围和氯离子浓度,在电沉积过程中金颗粒的分形度可被有效控制,即低分形度纳米金(LFAuNs),中分形度纳米金(MFAuNs)和高分形度纳米金(HFAuNs)。高分形度纳米金有着更为细致的枝状结构,具有更大的比表面积和表面活性,即更复杂的维度。将平面金基底视为一维,则低分形度纳米金、中分形度纳米金和高分形度纳米金的维度为别为2.40,2.54和2.70维。对于乳腺癌细胞的捕获试验表面,分形纳米金有着更为优异的捕获效率。相对于平面金基底的3%捕获效率,低分形度纳米金、中分形度纳米金和高分形度纳米金的捕获效率分别可达22%,35%和62%。

这种大幅度提高的捕获效率是由于分形纳米金独特的结构决定的。由捕获图中可以看出,癌细胞在遇到纳米金时,会生长出丝状伪足,包裹住纳米金。约27–39个丝状伪足缠绕在低分形度纳米金, 少于中分形度纳米金的33–54个,而高分形度纳米金有着更多的丝状伪足。除了数目之外,丝状伪足的形状也随着分形纳米金而变化。随着分形纳米金维度的升高,丝状伪足的尖端宽度从50纳米提高到200纳米,丝状伪足的根部从20纳米提高到340纳米,而丝状伪足的长度更是由320纳米提高到640纳米。这表明高分形度的纳米金更容易与癌细胞反应产生丝状伪足,缠绕住癌细胞,从而提高检测效率。

这个研究成果表明了分形纳米金可以有效地提高癌细胞检测效率,且效率随着纳米金的维度升高而增大。这对于今后低成本,高精度,高可靠性的癌症检测和诊断有着重大的意义。

原文链接:

Programmable Fractal Nanostructured Interfaces for Specific Recognition and Electrochemical Release of Cancer Cells, Advanced Materials, 2013, 25, 3566–3570.