Mikroskopiska magnetiska prober som ändrar form som svar på sin miljö kan avsevärt förbättra magnetisk resonanstomografi (MRT). Men att producera sonderna, som fortfarande är experimentella och ännu inte har använts på människor, har krävt tillgång till ett rent rum och expertis inom nanotillverkning, vilket begränsar deras utbredda användning.
Nu har forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) tagit dessa formskiftande sonder, kända som geometriskt kodade magnetiska sensorer, eller GEMS, ett steg längre genom att avslöja en ny tillverkningsmetod som inte bara är snabbare och billigare utan eliminerar behovet av specialiserade instrument.
Forskarna rapporterade sitt arbete online den 19 december i ACS-sensorer .
Istället för att bygga de små sonderna lager för lager i en nanotillverkningsanläggning, konstruerade teamet dem med hjälp av en precisionsmasterform. Denna teknik gör det möjligt för forskare att tillverka GEMS i sina egna laboratorier med hjälp av billiga material och lättillgänglig utrustning.
NIST-forskarna Gary Zabow och Samuel Oberdick och deras kollegor fokuserade sina ansträngningar på att bygga ädelstenar formade som små ihåliga cylindrar eftersom den formen lätt kan tillverkas med en form. För sin huvudform konstruerade forskarna en rad ihåliga cylindrar gjorda av hårt kisel, var och en endast cirka 100 mikrometer i diameter – ungefär tio gånger större än en röd blodkropp.
Teamet visade sedan hur forskare med en sådan mästerform kunde slutföra tillverkningsprocessen i flera steg. Först gjorde forskarna en mjukform "negativ" av befälhavaren genom att hälla en flytande polymer ovanpå den hårda kiselformen, låta den stelna och sedan skala av den. Detta skapade en böjlig form med en rad cylindriska ihåliga håligheter.
I nästa steg fyllde forskarna varje hålighet med en flytande prekursor till en hydrogel - ett nätverk av tvärbundna polymerer som kan absorbera stora mängder vatten. Hydrogelen, som hade konstruerats för att krympa eller svälla som svar på förändringar i surhet eller andra egenskaper i dess mikromiljö, är en nyckelkomponent i GEMS. Konstruerade hydrogeler är billiga och lätta att göra.
Efter att ha härdat hydrogelerna genom att exponera dem för ultraviolett ljus, vände NIST-teamet ut dem ur sin mjuka form, på samma sätt som att poppa isbitar ur en kiselbricka. De cylindriska hydrogelerna nedsänktes sedan i ett bad av järnsalter och överfördes till en basisk lösning, som omvandlade järnsalterna som absorberades av hydrogelerna till magnetiska oxidpartiklar.
Styrkan hos varje hydrogels magnetfält har en direkt betydelse för MRI, som manipulerar de små magnetiska fälten hos protoner för att avbilda inre strukturer i människokroppen. Protoner beter sig som snurrande magnetiserade toppar, som var och en pekar i en slumpmässig riktning.
En MR-maskin riktar in protonernas magnetfält med sitt eget starka magnetfält och stör sedan den inriktningen genom att kittla protonerna med en puls av radiovågor vid en resonansfrekvens som får protonerna att växelvis "slappna av" till sina ursprungliga tillstånd och sedan bli i linje igen. När protonerna cirkulerar fram och tillbaka mellan de två tillstånden sänder de ut radiovågor, som översätts till MRI-bilder.
Samtidigt ändrar hydrogelerna sin form som svar på förändringar i lokala förhållanden, och som ett resultat förstärks eller försvagas deras magnetfält.
Det föränderliga magnetfältet hos GEMS ändrar resonansfrekvensen för protonerna som ligger i eller nära sonderna. Genom att mäta förskjutningen kan MRT upptäcka hur GEMS har ändrat sin form som svar på en specifik egenskap i deras lokala miljö.
GEMS som är byggda med mjukformsprocessen kan skräddarsys för att ändra sin form till en mängd miljöegenskaper, vilket gör att forskare kan använda sonderna för att utforska en rad biomedicinska tillstånd, sa Oberdick.
Mer information: Samuel D. Oberdick et al, Shaped Magnetogel Microparticles for Multispectral Magnetic Resonance Contrast and Sensing, ACS-sensorer (2023). DOI:10.1021/acssensors.3c01373
Journalinformation: ACS-sensorer
Tillhandahålls av National Institute of Standards and Technology
Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av NIST. Läs originalberättelsen här.
