Ultra-lille, formskiftende GEMS tilbyder en nemmere og billigere måde at forbedre MRI-billeddannelse på

Mikroskopiske magnetiske prober, der ændrer form som reaktion på deres omgivelser, kan i høj grad forbedre magnetisk resonansbilleddannelse (MRI). Men at producere proberne, som stadig er eksperimentelle og endnu ikke er blevet brugt i mennesker, har krævet adgang til et rent rum og ekspertise inden for nanofabrikation, hvilket begrænser deres udbredte anvendelse.

Nu har forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) taget disse formskiftende prober, kendt som geometrisk kodede magnetiske sensorer eller GEMS, et skridt videre ved at afsløre en ny fremstillingsmetode, der ikke kun er hurtigere og billigere, men eliminerer behovet for specialiserede instrumenter.

Forskerne rapporterede deres arbejde online den 19. december i ACS-sensorer .

I stedet for at bygge de bittesmå sonder lag for lag i et nanofabrikationsanlæg, konstruerede holdet dem ved hjælp af en præcisionsmesterform. Denne teknik gør det muligt for forskere at fremstille GEMS i deres egne laboratorier ved hjælp af billige materialer og let tilgængeligt udstyr.

NIST-videnskabsmændene Gary Zabow og Samuel Oberdick og deres kolleger fokuserede deres indsats på at bygge GEMS formet som små hule cylindre, fordi den form nemt kan fremstilles med en form. Til deres mesterform konstruerede forskerne en række hule cylindre lavet af hårdt silicium, hver kun omkring 100 mikrometer i diameter - omkring ti gange større end en rød blodcelle.

Holdet demonstrerede derefter, hvordan forskere med sådan en mesterstøbeform kunne fuldføre flertrinsfremstillingsprocessen. Først lavede forskerne en blød form "negativ" af mesteren ved at hælde en flydende polymer oven på den hårde siliciumform, så den størkne, og derefter pille den af. Dette skabte en bøjelig form med en række cylindriske hule hulrum.

I det næste trin fyldte forskerne hvert hulrum med en flydende forløber til en hydrogel - et netværk af tværbundne polymerer, der kan absorbere store mængder vand. Hydrogelen, som var blevet konstrueret til at krympe eller svulme som reaktion på ændringer i surhedsgrad eller andre egenskaber i dets mikromiljø, er en nøglekomponent i GEMS. Konstruerede hydrogeler er billige og nemme at lave.

Efter at have hærdet hydrogelerne ved at udsætte dem for ultraviolet lys, vendte NIST-teamet dem ud af deres bløde form, svarende til at poppe isterninger ud af en siliciumbakke. De cylindriske hydrogeler blev derefter nedsænket i et bad af jernsalte og overført til en basisk opløsning, som omdannede jernsalte absorberet af hydrogelerne til magnetiske oxidpartikler.

Styrken af ​​hver hydrogels magnetfelt har en direkte indflydelse på MRI, som manipulerer de små magnetiske felter af protoner til at afbilde indre strukturer i den menneskelige krop. Protoner opfører sig som roterende magnetiserede toppe, der hver især peger i en tilfældig retning.

En MR-maskine justerer protonernes magnetfelt med sit eget stærke magnetfelt og forstyrrer derefter denne justering ved at kilde protonerne med en puls af radiobølger ved en resonansfrekvens, der får protonerne til skiftevis at "slappe af" til deres oprindelige tilstande og derefter blive afstemt igen. Når protonerne cykler frem og tilbage mellem de to tilstande, udsender de radiobølger, som omsættes til MR-billeder.

I mellemtiden ændrer hydrogelerne deres form som reaktion på ændringer i lokale forhold, og som følge heraf styrkes eller svækkes deres magnetfelt.

Det skiftende magnetfelt i GEMS skifter resonansfrekvensen af ​​de protoner, der ligger i eller nær proberne. Ved at måle skiftet kan MRI detektere, hvordan GEMS har ændret deres form som reaktion på en specifik egenskab i deres lokale miljø.

GEMS, der er bygget med soft-mold-processen, kan skræddersyes til at ændre deres form til en række miljøegenskaber, hvilket giver forskere mulighed for at bruge sonderne til at udforske en række biomedicinske forhold, sagde Oberdick.

Flere oplysninger: Samuel D. Oberdick et al., Shaped Magnetogel Microparticles for Multispectral Magnetic Resonance Contrast and Sensing, ACS-sensorer (2023). DOI:10.1021/acssensors.3c01373

Journaloplysninger: ACS-sensorer

Leveret af National Institute of Standards and Technology

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.