Znajdź zawartość

Na Uniwersytecie Stanforda powstała rewolucyjna technika obrazowania struktur wewnątrz organizmu. Polega ona na uczynieniu skóry i innych tkanek... przezroczystymi. Można tego dokonać nakładając na skórę jeden z barwników spożywczych. Testy na zwierzętach wykazały, że proces jest odwracalny. Technika taka taka, jeśli sprawdzi się na ludziach, może mieć bardzo szerokie zastosowanie – od lokalizowania ran, poprzez monitorowanie chorób układu trawienia, po diagnostykę nowotworową. Technologia ta może uczynić żyły lepiej widocznymi podczas pobierania krwi, ułatwić laserowe usuwanie tatuaży i pomagać we wczesnym wykrywaniu i leczeniu nowotworów, mówi Guosong Hong. Na przykład niektóre terapie wykorzystują lasery do usuwania komórek nowotworowych i przednowotworowych, ale ich działanie ograniczone jest do obszaru znajdującego się blisko powierzchni skóry. Ta technika może poprawić penetrację światła laserowego, dodaje. Przyczyną, dla której nie możemy zajrzeć do wnętrza organizmu, jest rozpraszanie światła. Tłuszcze, płyny, białka, z których zbudowane są organizmy żywe, rozpraszają światło w różny sposób, powodując, że nie jest ono w stanie penetrować ich wnętrza, więc są dla nas nieprzezroczyste. Naukowcy ze Stanforda stwierdzili, że jeśli chcemy, by materiał biologiczny stał się przezroczysty, musimy spowodować, żeby wszystkie budujące go elementy rozpraszały światło w ten sam sposób. Innymi słowy, by miały taki sam współczynnik załamania. A opierając się na wiedzy z optyki stwierdzili, że barwniki najlepiej absorbują światło i mogą być najlepszym ośrodkiem, który spowoduje ujednolicenie współczynników załamania. Szczególną uwagę zwrócili na tartrazynę czyli żółcień spożywczą 5, oznaczoną symbolem E102. Okazało się, że mieli rację. Po rozpuszczeniu w wodzie i zaabsorbowaniu przez tkanki, tartrazyna zapobiegała rozpraszaniu światła. Najpierw barwnik przetestowano na cienkich plastrach kurzej piersi. W miarę, jak stężenie tartrazyny rosło, zwiększał się współczynnik załamania światła w płynie znajdującym się w mięśniach. W końcu zwiększył się do tego stopnia, że był taki, jak w białkach budujących mięśnie. Plaster stał się przezroczysty. Później zaczęto eksperymenty na myszach. Najpierw wtarli roztwór tartrazyny w skórę głowy, co pozwoliło im na obserwowanie naczyń krwionośnych. Później nałożyli go na brzuch, dzięki czemu mogli obserwować kurczenie się jelit i ruchy wywoływane oddychaniem oraz biciem serca. Technika pozwalała na obserwacje struktur wielkości mikrometrów, a nawet polepszyła obserwacje mikroskopowe. Po zmyciu tartrazyny ze skóry tkanki szybko wróciły do standardowego wyglądu. Nie zaobserwowano żadnych długoterminowych skutków nałożenia tartrazyny, a jej nadmiar został wydalony z organizmu w ciągu 48 godzin. Naukowcy podejrzewają, że wstrzyknięcie barwnika do tkanki pozwoli na obserwowanie jeszcze głębiej położonych struktur organizmu. Badania, w ramach których dokonano tego potencjalnie przełomowego odkrycia, rozpoczęły się jako projekt, którego celem jest sprawdzenie, jak promieniowanie mikrofalowe wpływa na tkanki. Naukowcy przeanalizowali prace z dziedziny optyki z lat 70. i 80. ubiegłego wieku i znaleźli w nich dwa podstawowe narzędzia, które uznali za przydatne w swoich badaniach: matematyczne relacje Kramersa-Kroniga oraz model Lorentza. Te matematyczne narzędzia rozwijane są od dziesięcioleci, jednak nie używano ich w medycynie w taki sposób, jak podczas opisywanych badań. Jeden z członków grupy badawczej zdał sobie sprawę, że te same zmiany, które czynią badane materiały przezroczystymi dla mikrofal, można zastosować dla światła widzialnego, co mogłyby być użyteczne w medycynie. Uczeni zamówili więc sięc silne barwniki i zaczęli dokładnie je analizować, szukając tego o idealnych właściwościach optycznych. Nowatorskie podejście do problemu pozwoliło na dokonanie potencjalnie przełomowego odkrycia. O relacjach Kramersa-Kroniga uczy się każdy student optyki, w tym przypadku naukowcy wykorzystali tę wiedzę, do zbadania, jak silne barwniki mogą uczynić skórę przezroczystą. Podążyli więc w zupełnie nowym kierunku i wykorzystali znane od dziesięcioleci podstawy do stworzenia nowatorskiej technologii. « powrót do artykułu

Terahercowe lasery to niezwykle obiecujące urządzenia, które mogą znaleźć zastosowanie m.in. w obrazowaniu medycznym. Niestety, wymagają olbrzymich systemów chłodzenia, przez co dotychczas można je było znaleźć jedynie w laboratoriach naukowych. Teraz może się to zmienić, a wszystko dzięki pracy zespołu naukowego kierowanego przez Zbiga Wasilewskiego z kanadyjskiego University of Waterloo oraz Qing Hu z MIT. Amerykańsko-kanadyjski zespół naukowy stworzył właśnie kaskadowy laser kwantowy o dużej mocy, który działa bez wielkich systemów chłodzenia. Pracuje on już w temperaturze 250 kelwinów (-23,15 stopnia Celsjusza). Dotychczas tego typu systemy wymagały schłodzenia do co najmniej 210 kelwinów (-63,15 stopnia Celsjusza). Nowemu laserowi wystarczy więc niewielki system chłodzący. A naukowcy przekonują, że nie powiedzieli jeszcze ostatniego słowa. Promieniowanie terahercowe mieści się pomiędzy podczerwienią a mikrofalami. Długość jego fali wynosi od 3 mm do 30 mm. Wiele molekuł absorbuje promieniowanie w tych zakresach, co pozwala np. na identyfikowanie takich molekuł. Olbrzymią zaletą promieniowania THz jest fakt, że przenika ono przez wiele materiałów, takich jak papier, ubrania czy plastik. To oznacza, że promieniowanie takie – podobnie jak promieniowanie rentgenowskie – można wykorzystać do obrazowania wnętrz obiektów. Jednak w przeciwieństwie do promieniowania rentgenowskiego fotony w zakresie teraherców mają stosunkowo niską energię, jest to więc promieniowanie niejonizujące, zatem bezpieczne do użycia w medycynie czy naukach biologicznych. Kolejną jego zaletą jest fakt, że długość jego fali jest mniejsza niż w przypadku promieniowania mikrofalowego, co pozwala na uzyskanie obrazów o wyższej rozdzielczości. Wszystko to wygląda dobrze w teorii, jednak gorzej z praktycznym wykorzystaniem. Promieniowanie w zakresie 0,1–10 THz jest rzadko wykorzystywane ze względu na ograniczenia technologiczne. Wyzwaniem jest bowiem wygenerowanie promieniowania THz o odpowiedniej mocy. Jednym z jego źródeł mogą być kwantowe lasery kaskadowe (QCL), gdyż łatwo można je dostrajać do potrzeb. Problem jednak w tym, że lasery takie wymagają bardzo niskich temperatur do pracy. W 2019 roku naukowcy z EHT Zurich stworzyli QCL generujący światło w zakresie THz, który pracował w temperaturze 210 kelwinów. System taki wciąż wymagał dużych systemów chłodzących. Teraz zaś grupa Wasilewskiego i Hu pochwaliła się tego typu laserem pracującym przy 250 kelwinach. A taki laser można już chłodzić za pomocą niewielkiego systemu. Wrażliwość kwantowych laserów kaskadowych na temperaturę wynika z ich budowy. QCL korzystają z kwantowych studni i barier składających się z tysięcy cienkich warstw półprzewodnika. Przechodząc przez kolejne warstwy elektron emituje fotony o których częstotliwości decyduje struktura warstw. W zbyt wysokiej temperaturze elektrony mają tendencję do „wyciekania” ze studni kwantowych, co niekorzystnie odbija się na wydajności lasera. Autorzy najnowszego osiągnięcia udoskonalili laser tworząc nową strukturę półprzewodnikową. Składa się ona z niemal 15 000 interfejsów pomiędzy studniami kwantowymi a barierami, wyjaśnia Wasilewski. Połowa z tych barier ma grubość mniej niż 7 atomów. Jakość wykonania tych interfejsów jest kluczowa dla wydajności lasera. Hu informuje, że jednym z pierwszych zastosowań, w jakich zostanie przetestowany udoskonalony laser terahercowy będzie obrazowanie w czasie rzeczywistym komórek nowotworu skóry. Komórki nowotworowe są niezwykle wyraźnie widoczne w promieniowaniu terahercowym, gdyż zawierają więcej wody i krwi niż zdrowe komórki, a woda bardzo silnie absorbuje promieniowanie w zakresie THz. Technologię tę można również wykorzystać do wykrywania np. metaamfataminy, heroiny czy materiałów wybuchowych takich jak TNT, gdyż również są one dobrze widoczne w promieniowaniu THz. To jednak nie wszystko. Na łamach Nature Photonics naukowcy mówią, że powinno być możliwe stworzenie kwantowego lasera kaskadowego pracującego w zakresie THz, który w ogóle nie będzie wymagał chłodzenia. Już teraz planują dalsze prace nad zwiększaniem temperatury, w której może działać taki laser. Grupa Hu pracuje też nad czujnikami promieniowania w zakresie teraherców. Większość sygnałów w paśmie THz jest dość słabych. Niezależnie od tego, czy pochodzą ze źródeł pozaziemskich (aż 90% fotonów we wszechświecie znajduje się w paśmie THz) czy źródeł ziemskich, zwiększenie możliwości ich wykrycia znakomicie ułatwi badania i przetwarzanie takich sygnałów, dodaje Hu. « powrót do artykułu

Na brazylijskim Uniwersytecie w Campinas (UNICAMP) powstał światłowód wykonany wyłącznie z agaru. Urządzenie jest nieszkodliwe dla człowieka (jadalne), biokompatybilne i całkowicie biodegradowalne. Nowy światłowód może być wykorzystany przede wszystkim w obrazowaniu medycznym, fototerapii, optogenetyce oraz do precyzyjnego dostarczania leków. Można go też zastosować do wykrywania mikroorganizmów w konkretnych organach, gdzie ulegnie całkowitemu wchłonięciu po spełnieniu zadania. Agar to naturalna żelatyna występująca w glonach morskich. Składa się z dwóch polisacharydów: agarozy i agaropektyny. Światłowód jest dziełem grupy badawczej, na czele której stali profesorowie Eric Fujiwara i Cristiano Cordeiro. Nasz światłowód to cylinder agarowy o średnicy 2,5 milimetra. Jest zbudowany z sześciu otworów o średnicy 0,5 mm każdy, rozmieszczonych regularnie wzdłuż rdzenia. Światło jest uwięzione dzięki różnicy współczynnika refrakcji pomiędzy otworami a rdzeniem, mówi profesor Fujiwara. Uczony wyjaśnia, że światłowód wyprodukowano wlewając agar do formy. Po zastygnięciu był gotowy. Uczony zapewnia, że możliwe jest indywidualne dobieranie współczynnika refrakcji oraz kształtu światłowodu. Wystarczy zmienić skład roztworu agaru oraz kształt formy. Dodatkową zaletą agarowego światłowodu jest fakt, że on sam może zostać wykorzystany zarówno jako podłoże do hodowli mikroorganizmów, jak i urządzenie do ich próbkowania. W otworach, którymi wędruje światło, można umieścić pożywkę i hodować tam bakterie. A po badaniach całości można łatwo i tanio się pozbyć, nie szkodząc przy tym środowisku naturalnemu. Nowatorski światłowód opisano na łamach Nature w artykule pt. Agarose-based structured optical fibre. « powrót do artykułu

Zdaniem chemików-teoretyków z University of Chicago, powinno być możliwe stworzenie materiałów, które jednocześnie przesyłają prąd elektryczny oraz energię ekscytonów i czynią to bez strat w dość wysokich temperaturach. Naukowcy obliczyli, ze takie materiały powinny istnieć w pojedynczym stanie kwantowym, jednak będą wykazywały właściwości dwóch różnych kondensatów – jednego złożonego z ekscytonów i drugiego z par fermionów. Kondensaty Bosego-Einsteina uzyskuje się w wyniku schładzania gazów tak bardzo, że długość fal materii de Broglie'a poszczególnych cząstek jest porównywalna z odległościami pomiędzy nimi. W ten sposób całość ma ten sam podstawowy stan kwantowy. Kondensat musi składać się z bozonów, gdyż mają one spin całkowity i mogą jednocześnie przybierać ten sam stan kwantowy. Możliwe jest też stworzenie kondensatów Bosego-Einsteina z par fermionów o spinie połówkowym, gdyż taka para ma spin całkowity, jest więc bozonem. W nadprzewodnikach pary elektronów (fermionów), zwane parami Coopera, tworzą stan nadciekły, dzięki czemu prąd może przemieszczać się nie napotykając oporu. pary Coopera mają niską energię wiązania, co oznacza, że wiązania są łatwo rozrywane przez energię termiczną. Po przekroczeniu pewnej temperatury granicznej pary ulegają rozerwaniu i materiał z nadprzewodnika staje się przewodnikiem. Jednym ze sposobów na podniesienie temperatury granicznej kondensatu jest uzyskanie go z ekscytonów (bozonów), czyli par elektron-dziura. Ekscytony, w przeciwieństwie do par Coopera, nie niosą ze sobą ładunku elektrycznego. Są silniej ze sobą powiązane, co oznacza, że stworzony z nich kondensat może istnieć w wyższych temperaturach niż nadprzewodnik. Problem jednak w tym, że cząstki i dziury bardzo szybko ulegają anihilacji, więc kondensaty z ekscytonów są bardzo trudne do uzyskania. Kondensaty ekscytonów można uzyskiwać umieszczając elektrony w pułapce optycznej lub wykorzystując bliźniacze warstwy materiału, takiego jak półprzewodniki czy grafen, do utrzymania elektronów i dziur z dala od siebie. Kondensaty ekscytonowe mogą też współistnieć z kondensatami stworzonymi z par fermionów. W takim systemie umożliwiają one istnienie par Coopera w wyższych temperaturach. Autorzy najnowszych badań, LeeAnn Sager, Shiva Safaei i David Mazziotti z University of Chicago przypominają, że właściwości obu typów kondensatów wchodzących w skład takiego systemu, pozostają różne. Uczeni postanowili sprawdzić, czy jest teoretycznie możliwe stworzenie materiału, który jednocześnie wykazuje właściwości obu kondensatów. Taki materiał mógłby jednocześnie przewodzić elektryczność i energię wzbudzenia ze 100-procentową wydajnością. Naukowcy wykorzystali model komputerowy do symulowania zachowania systemu składającego się z czterech fermionów. Z modelu wynika, że taki materiał rzeczywiście wykazywałby właściwości obu kondensatów. Uczeni nie mieli dostępu do wystarczających mocy obliczeniowych, by przeskalować swój system. Obliczyli więc, co by się stało, gdyby splątano kwantowe funkcje falowe nadprzewodnika i ekscytonowego kondensatu zawierającego dużą liczbę cząstek. Jak mówi Mazziotti, z obliczeń wynika, że istnieje dość duża rodzina funkcji falowych, łączących te właściwości. Nic nie stoi na przeszkodzie, by właściwości te wykazywały w świecie makro. Jak czytamy na łamach Physical Review B, ten pojedynczy stan kwantowy, który nazwali kondensatem fermionowo-ekscytonowym, łączy właściwości obu kondensatów w „wysoce nietrywialny sposób”. Teraz grupa Mazziottiego współpracuje z praktykami nad stworzeniem w laboratorium opisanego teoretycznie materiału. Na razie najbardziej oczywistym kandydatem do jego stworzenia wydaje się para nadprzewodzących warstw, chociaż naukowcy nie wiedzą jeszcze, jakiego nadprzewodnika użyją. Uczeni nie mają jednak złudzeń, co do zadania, jakie przed sobą postawili. Jednym z problemów, z którymi będą musieli się zmierzyć, jest zarządzanie różnymi energiami wiązań par Coopera i ekscytonów. Trudno będzie zbliżyć obie warstwy do siebie tak, by pojawiło się wiązanie, a jednocześnie, by były one od siebie na tyle daleko, by nie doszło do tunelowania elektronów pomiędzy warstwami. Jeśli jednak uda się tego dokonać, możemy zyskać niezwykły materiał. Może on np. posłużyć do stworzenia urządzeń do obrazowania medycznego, w których nie będzie dochodziło do utraty światła, zatem zyskamy niezwykle dużą rozdzielczość obrazu. « powrót do artykułu

Zaawansowane technologie obrazowania medycznego, takie jak tomografy komputerowe, stają się coraz łatwiej dostępne. Odpowiednie urządzenia stoją w coraz większej liczbie placówek medycznych, gdzie są opłacane z podatków. Znacznie gorzej jest w przypadku weterynarii, ponieważ nieliczne przychodnie i gabinety stać na taki sprzęt, a nie mogą one liczyć na budżet państwa. Logicznym byłoby wykorzystanie istniejącej infrastruktury ludzkiej medycyny również w przypadku zwierząt, tym bardziej, że wiele takich urządzeń całymi godzinami stoi bezczynnie. W niektórych krajach weterynarze próbują namówić prywatne szpitale i kliniki, by zezwoliły na obrazowanie zwierząt, jednak pomysł ten spotyka się z dużymi oporami, a jako argument przeciw podaje się – bez żadnych dowodów naukowych – względy higieniczne. Tymczasem okazuje się, że nic bardziej mylnego – futro psów jest mniej zanieczyszczone niż męska broda. Zespół naukowy pracujący pod kierunkiem Andreasa Gutzeita ze szwajcarskiej Hirslanden Clinic postanowił porównać bakterie żyjące w brodach mężczyzn oraz w sierści psów. Do badań zaangażowano 18 brodatych panów w wieku 18–76 lat oraz 30 psów różnych ras, od których próbki pobrano z futra na karku. W obu przypadkach porównano zagęszczenie mikroorganizmów. Okazało się, że o wysokim zagęszczeniu mikroorganizmów można mówić w przypadku 100% badanych mężczyzn i w przypadku 77% badanych psów. Jednak, co gorsza, ludzkie brody były znacznie częściej siedzibą chorobotwórczych patogenów. Ich obecność stwierdzono bowiem w brodach 39% badanych. Dla psów odsetek ten wynosił 13%. Szwajcarzy dodatkowo pobrali próbki z jamy ustnej i porównali żyjące tam mikroorganizmy. W jamie ustnej ludzi żyło znacząco więcej mikroorganizmów niż w pyskach psów, stwierdzili badacze. Podczas naszych badań zauważyliśmy, że w męskich brodach występuje znacznie więcej bakterii niż w psich futrach. W ludzkich brodach stwierdziliśmy też więcej mikroorganizmów groźnych dla człowieka. W skanerach do rezonansu magnetycznego, które wykorzystywano do obrazowania psów, nie znaleźliśmy żadnych mikroorganizmów powodujących choroby odzwierzęce. Na podstawie tych badań możemy stwierdzić, że w porównaniu z brodatymi mężczyznami psy należy uznać za czyste, napisali badacze. Zespół Gutzeita zauważa jeszcze jedną korzyść, poza finansową i lepszym wykorzystaniem istniejącego sprzętu, z dopuszczenia do obrazowania psów w klinikach dla ludzi. Otóż, jako że większość osób uznaje, że futro zwierząt jest mniej higieniczne niż ludzki zarost czy włosy, można z dużą dozą prawdopodobieństwa stwierdzić, że urządzenia byłyby przecierane płynami dezynfekującymi po każdym czworonożnym pacjencie. Byłoby więc dezynfekowane znacznie częściej niż obecnie, gdy korzystają z nich wyłącznie ludzie, a co za tym idzie, stan ich higieny byłby znacznie lepszy. « powrót do artykułu

Poszukując jadalnego czynnika kontrastowego, naukowcy z Uniwersytetu w Buffalo kupili ponad 200 rodzajów herbaty, czekolady, ziół i innych produktów spożywczych. Ostatecznie okazało się, że do tego celu najlepiej nadają się prażone ziarna jęczmienia. Z pomocą światła lasera można obrazować zarówno gardło, jak i dalsze odcinki układu pokarmowego. Amerykanie przekonują, że dzięki ich odkryciu będzie można poprawić diagnostykę zaburzeń połykania i chorób przewodu pokarmowego. To niesamowite. Mamy zwykłe ziarno - uprawiane na całym świecie od tysięcy lat i wykorzystywane do produkcji herbaty, chleba czy piwa - i znajdujemy dla niego nowe zastosowanie w postaci bycia czynnikiem kontrastującym w obrazowaniu medycznym - cieszy się prof. Jun Xia. Zaburzenia połykania (dysfagia) mogą być wskaźnikiem różnych problemów medycznych: od brakujących zębów po urazy szyi i nowotwory. W ramach diagnostyki dysfagii pacjentowi daje się do wypicia gęstą zawiesinę siarczanu baru (środek cieniujący). Później wykonuje się serię zdjęć rtg. Niekiedy przeprowadza się też rezonans magnetyczny czy usg. Każda z tych metod ma jednak ograniczenia, np. w postaci wysokich kosztów czy braku odpowiedniego kontrastu. Nową alternatywą jest fotoakustyczna tomografia komputerowa (ang. photoacoustic computed tomography, PACT), w przypadku której pacjent wypija środek cieniujący. Kontrast podaje się też w formie iniekcji. Niejednokrotnie są to dopiero opracowane nanocząstki metali, polimerów i innych materiałów. Gdy oświetla się je promieniem lasera, powstaje fala ciśnieniowa. Specjaliści uzyskują w ten sposób szczegółowy obraz w czasie rzeczywistym. Ograniczeniem PACT jest długi i często kosztowny proces dopuszczenia czynników kontrastowych do użytku. To nas skłoniło do poszukiwania jadalnych alternatyw. Ponieważ zjadamy bądź wypijamy te produkty, wiemy, że są bezpieczne dla większości ludzi - tłumaczy prof. Jonathan Lovell. Naukowcy skupili się na ciemnych pokarmach i napojach, bo lepiej pochłaniają one światło lasera i teoretycznie podczas PACT powinien powstać lepszy obraz. Najlepsze rezultaty dało, jak wspomnieliśmy na początku, prażone ziarno jęczmienia. Akademicy potrafili je wykryć przez 3,5-cm pierś kurczaka i przez ludzkie dłonie. Herbatę z prażonego jęczmienia dało się wykryć pod piersią kurzą o grubości 2,5 cm. Gdy pili ją ludzie, można było w ten sposób wizualizować wnętrze ich jamy ustno-gardłowej.   Na filmie widać, jak człowiek przełyka prażony jęczmień: « powrót do artykułu