Nanosensori ajustabili transformă presiunea apei în semnale fluorescente, cu rigiditatea membranei controlând sensibilitatea
Cercetătorii de la Institute of Science Tokyo au dezvoltat o platformă bazată pe nanovezicule capabilă să măsoare presiunea hidrostatică transformând modificările moleculare induse de presiune în semnale fluorescente. Studiu, publicat în ACS Applied Nano Materials, descrie vezicule polimerice modificate cu piren, denumite Pyr-PICsomes, a căror rigiditate a membranei reglează direct răspunsul fluorescent la presiune.
Presiunea hidrostatică este forța de compresiune exercitată din toate direcțiile asupra unui obiect de către un fluid aflat în repaus. Ea poate influența numeroase procese fizice, chimice și biologice, ceea ce face măsurarea ei importantă în medii diverse, de la adâncurile oceanelor până la țesuturile vii. Cu toate acestea, măsurarea acestui parametru la scară microscopică rămâne dificilă, în special în medii apoase și biologice. Senzorii moleculari existenți se confruntă cu limitări precum solubilitatea scăzută în apă, sensibilitatea insuficientă în domeniul megapascalilor sau dificultăți operaționale în medii biologice.
Rigiditatea membranei controlează răspunsul fluorescent
PICsomes sunt vezicule pe bază de polimeri care se autoasamblează în apă din polimeri cu sarcini opuse. Cercetătorii au reticulat chimic membranele PICsome folosind 1-etil-3-(3-dimetilaminopropil)carbodiimidă (EDC). Concentrația de EDC a fost utilizată pentru a ajusta rigiditatea membranei, menținând în același timp dimensiunea veziculelor la aproximativ 100 nm în diametru. Apoi au încorporat molecule de piren, care acționează ca sonde fluorescente sensibile la presiune, în membrană.
Când moleculele de piren sunt separate, ele fluoresc în principal ca monomeri individuali la aproximativ 380 nm. Sub presiune hidrostatică, moleculele de piren vecine sunt apropiate, permițându-le să formeze perechi temporare numite excimeri care emit semnale fluorescente la aproximativ 500 nm. Modificarea raportului de fluorescență excimer-la-monomer oferă astfel o măsură a presiunii hidrostatice.
Cercetătorii au descoperit că rigiditatea membranei Pyr-PICsome afectează puternic modul în care veziculele răspund la presiune. Cele mai moi vezicule, cu o rigiditate de 7,3 pN/nm, au prezentat cea mai mare modificare a raportului de fluorescență între excimeri și monomeri în intervalul 0,1–50 MPa. Sensibilitatea lor a fost de 0,28 MPa⁻¹, comparativ cu 0,02 MPa⁻¹ pentru cele mai rigide vezicule, care aveau o rigiditate de 39 pN/nm. Cantitatea de piren a afectat, de asemenea, răspunsul, mai multe molecule de piren ducând la o formare mai mare de excimeri și la o sensibilitate mai ridicată de detectare a presiunii.
Veziculele mai rigide oferă detectare bazată pe durata de viață
În timpul investigării influenței pirenului asupra dinamicii stării excitate a Pyr-PICsomes, cercetătorii au identificat o altă modalitate de a detecta presiunea prin măsurarea duratei de viață a fluorescenței, adică cât timp rămâne o moleculă fluorescentă într-o stare excitată. În acest caz, veziculele mai rigide au prezentat modificări mai puternice ale duratei de viață a fluorescenței pe măsură ce presiunea a crescut. Cele mai rigide vezicule au arătat o sensibilitate a duratei de viață de −0,09 ns/MPa între 0,1 și 50 MPa. Aceste proprietăți le fac candidate bune pentru sonde de microscopie de imagistică a duratei de viață a fluorescenței (FLIM).
Constatările sugerează că rigiditatea membranei ar trebui adaptată în funcție de metoda de măsurare a presiunii hidrostatice: prin intensitate fluorescentă sau prin FLIM. Această ajustabilitate permite adaptarea modului de detectare la diferite medii și metode de măsurare, deschizând posibilități pentru studierea presiunii în sisteme apoase complexe.
Spre măsurători de presiune în medii biologice
Cercetătorii au testat, de asemenea, caracterul adecvat al platformei pentru medii complexe. Reticularea covalentă ajută veziculele să-și mențină structura în condiții saline, în timp ce stratul lor exterior hidrofil ajută la protejarea mediului membranei în fluide biologice. Pe baza acestui fapt, autorii propun că Pyr-PICsomes ar putea fi utilizate în cele din urmă pentru a investiga presiunea localizată în țesuturi, culturi celulare, probe ex vivo și organisme din adâncurile marine.
Studiul stabilește o strategie de proiectare a materialelor în care mecanica membranei poate fi utilizată pentru a programa comportamentul răspunsului optic. Cercetătorii au dezvoltat o platformă versatilă, solubilă în apă, biocompatibilă, robustă și ajustabilă, capabilă să detecteze presiunea hidrostatică în medii complexe inaccesibile. Această strategie pune bazele unor materiale inteligente cu aplicații variate în diverse discipline.
