Исследование описано сегодня в журнале Nature Communications.Ученые во главе с физиком Эрнстом-Людвигом Флорином использовали свой метод, называемый тепловизионным шумом, для получения нанометровых изображений сетей коллагеновых фибрилл, которые образуют часть соединительной ткани, обнаруженной в коже животных. Нанометр — это одна миллиардная метра или примерно одна стотысячная ширины человеческого волоса.
Изучение фибрилл коллагена в таком масштабе позволило ученым впервые измерить ключевые свойства, влияющие на эластичность кожи, что может привести к усовершенствованию конструкции искусственной кожи или тканей.Получение четких трехмерных изображений наноразмерных структур в биологических образцах чрезвычайно сложно, отчасти потому, что они обычно мягкие и залиты жидкостью. Это означает, что крошечные колебания тепла заставляют конструкции двигаться вперед и назад, эффект, известный как броуновское движение.Чтобы преодолеть создаваемую размытость, другие методы визуализации сверхвысокого разрешения часто «фиксируют» биологические образцы, добавляя химические вещества, которые делают различные структуры жесткими, и в этом случае материалы теряют свои естественные механические свойства.
Ученые иногда могут преодолеть размытость, не фиксируя образцы, если, например, они сосредотачиваются на жестких структурах, приклеенных к стеклянной поверхности, но это сильно ограничивает виды структур и конфигураций, которые они могут изучать.Флорин и его команда придерживались другого подхода.
Чтобы сделать изображение, они добавляют наносферы — шарики нанометрового размера, отражающие лазерный свет — к своим биологическим образцам в естественных условиях, освещают образец лазером и создают сверхбыстрые снимки наносфер, просматриваемых через световой микроскоп.
Ученые объясняют, что метод визуализации теплового шума работает примерно так: представьте, что вам нужно сделать трехмерное изображение комнаты в полной темноте. Если бы вы бросили светящийся резиновый мяч в комнату и использовали камеру для получения серии высокоскоростных изображений, на которых мяч отскакивает, вы бы увидели, что, когда мяч движется по комнате, он не может перемещаться по твердым предметам, таким как столы и стулья.
Комбинируя миллионы изображений, сделанных так быстро, что они не размываются, вы сможете построить картину того, где есть объекты (куда не может попасть мяч) и где нет объектов (куда он мог бы пойти).При визуализации теплового шума эквивалентом резинового шара является наносфера, которая движется в образце за счет естественного броуновского движения — той же неуправляемой силы, которая мешает другим методам микроскопии.
«Это хаотичное шевеление мешает большинству методов микроскопии, потому что оно делает все размытым», — говорит Флорин. «Мы использовали это в наших интересах. Нам не нужно создавать сложный механизм для перемещения нашего зонда. Мы расслабляемся и позволяем природе делать это за нас».
Первоначальная концепция метода визуализации теплового шума была опубликована и запатентована в 2001 году, но до сих пор технические проблемы не позволяли развить ее в полноценный процесс.Инструмент позволил исследователям впервые измерить механические свойства коллагеновых фибрилл в сети.
Коллаген — это биополимер, который образует каркас для клеток кожи и способствует ее эластичности. Ученые до сих пор не уверены, как архитектура коллагеновой сети приводит к ее эластичности — важный вопрос, на который необходимо ответить для рационального дизайна искусственной кожи.
«Если вы хотите создать искусственную кожу, вы должны понимать, как работают натуральные компоненты», — говорит Флорин. «Тогда вы могли бы лучше спроектировать коллагеновую сеть, которая действует как каркас, который побуждает клетки расти правильным образом».Первым автором статьи является Тобиас Барч, бывший аспирант Университета штата Остин, а в настоящее время — научный сотрудник Университета Рокфеллера. Другие соавторы — Мартин Кочанчик, Эмануэль Лиссек и Янина Ланге.
Финансирование этого исследования было предоставлено Национальным научным фондом и Фондом Саймонса.