Нанооболочка , или, скорее, нанооболочечный плазмон , представляет собой тип сферической наночастицы, состоящей из диэлектрического ядра , покрытого тонкой металлической оболочкой (обычно золотой ). [1] Эти нанооболочки включают в себя квазичастицу , называемую плазмоном , которая представляет собой коллективное возбуждение или квантовые плазменные колебания, где электроны одновременно колеблются относительно всех ионов.
Одновременные колебания можно назвать гибридизацией плазмонов, где настраиваемость колебаний связана со смесью внутренней и внешней оболочки, где они гибридизуются, чтобы дать более низкую или более высокую энергию. Эта более низкая энергия сильно связывается с падающим светом, тогда как более высокая энергия является антисвязующей и слабо объединяется с падающим светом. Гибридизирующее взаимодействие сильнее для более тонких слоев оболочки, следовательно, толщина оболочки и общий радиус частицы определяют, с какой длиной волны света она связывается. [2] Нанооболочки могут варьироваться в широком диапазоне светового спектра , который охватывает видимую и ближнюю инфракрасную области. Взаимодействие света и наночастиц влияет на размещение зарядов, что влияет на силу связи. Падающий свет, поляризованный параллельно подложке, дает s-поляризацию (рисунок 1b), поэтому заряды находятся дальше от поверхности подложки, что дает более сильное взаимодействие между оболочкой и ядром. В противном случае образуется p-поляризация, которая дает более сильно смещенную энергию плазмона, вызывая более слабое взаимодействие и связь.
Открытие нанооболочки было сделано профессором Наоми Дж. Халас и ее командой в Университете Райса в 2003 году. Когда она и ее команда обнаружили нанооболочки, они изначально не были уверены в том, какой потенциал таят в себе такие нанооболочки. «Мы сказали: «Боже мой, для чего это может быть полезно?» — сказала Халас CNN. После многих предложений терапия рака возникла из постоянного сотрудничества с биоинженерами, которые искали различные типы биомедицинских приложений. [3] «Одно из наших видений», — заявила Халас, — «не меньше, чем диагностика и лечение рака за один визит». [4] В 2003 году Халас была награждена за лучшее открытие 2003 года журналом Nanotechnology Now . [4]
Современный метод синтеза золотых нанооболочек — это использование микрожидкостных композитных пен. Этот метод имеет потенциал заменить стандартный литографический метод синтеза плазмонных нанооболочек. Описанный ниже производственный процесс был экспериментом, проведенным Суханьей Дурайсвами и Саифом А. Ханом из Департамента химической и биомолекулярной инженерии в Сингапуре. Хотя этот метод был экспериментом, он представляет собой будущее синтеза нанооболочек.
Для производства нанооболочек требуются следующие материалы: тетраэтилортосиликат, гидроксид аммония, гидрохлорид гидроксиламина, 3-аминопропилтрис, тригидрат тетрахлораурата(III) водорода, хлорид тетракис(гидроксиметил)фосфония, гидроксид натрия, карбонат калия, этанол, сверхчистая вода и стеклянная посуда, промытая в царской водке и тщательно ополоснутая водой. [5] )
Первым шагом в синтезе нанооболочек в этом методе является создание устройства для реакции, которая будет происходить внутри. Шаблоны микрофлюидных устройств были изготовлены на кремниевых пластинах с помощью стандартной фотолитографии с использованием негативного фоторезиста SU-8 2050. Затем устройства были отформованы в поли(диметилсилоксане) (PDMS) с использованием техники мягкой литографии.(40) Вкратце, PDMS был отформован на мастер-дисках SU-8 при 70 °C в течение 4 часов, очищен, разрезан и очищен. Входные и выходные отверстия (1/16 дюйма) были пробиты в устройстве. Микроканалы были необратимо связаны со стеклянным предметным стеклом, предварительно покрытым тонким слоем PDMS, после кратковременной 35-секундной обработки воздушной плазмой. Микроканалы имеют прямоугольное поперечное сечение и имеют ширину 300 мкм, глубину 155 мкм и длину 0,45 м. [5]
Фактическое производство наночастиц включает в себя закачку «силиконового масла, смеси частиц кремнезема с золотыми семенами и раствора золотого покрытия и раствора восстановителя в микрофлюидное устройство, в то время как азотный газ подавался из цилиндра». [5] Затем раствор для покрытия оставляли стареть в контролируемой среде более 24 часов. После процесса старения жидкость собирали из микрофлюидного устройства и помещали в центрифугу. Полученная жидкость имела слой масла на поверхности с раствором под ним, содержащим нанооболочки.
Причина, по которой этот метод является революционным, заключается в том, что размер и относительную толщину золотой нанооболочки можно контролировать, изменяя время, в течение которого реакция может происходить, а также концентрацию раствора для покрытия. Тем самым позволяя исследователям подгонять частицы под свои нужды. Хотя бы для оптики или лечения рака.
Наночастицы с золотой оболочкой, которые представляют собой сферические наночастицы с кремниевыми и/или липосомальными ядрами [6] и золотыми оболочками, используются в терапии рака и улучшении биовизуализации. Тераностические зонды , способные обнаруживать и лечить рак за одну процедуру, представляют собой наночастицы , которые имеют связывающие сайты на своей оболочке, которые позволяют им прикрепляться к желаемому месту (обычно к раковым клеткам), а затем могут быть визуализированы с помощью двухмодальной визуализации (стратегия визуализации, которая использует рентгеновские лучи и радионуклидную визуализацию ) и с помощью флуоресценции в ближнем инфракрасном диапазоне. [7] Причина, по которой используются золотые наночастицы, заключается в их ярких оптических свойствах, которые контролируются их размером, геометрией и их поверхностными плазмонами. Золотые наночастицы (такие как AuNP) обладают преимуществом биосовместимости и гибкости, позволяющей иметь несколько различных молекул и основных материалов, прикрепленных к их оболочке (почти все, что обычно может быть прикреплено к золоту, может быть прикреплено к золотой нанооболочке, что может использоваться для помощи в выявлении и лечении рака). Лечение рака возможно только благодаря рассеянию и поглощению, которые происходят при плазмонике . При рассеянии позолоченные наночастицы становятся видимыми для процессов визуализации, которые настроены на правильную длину волны, которая зависит от размера и геометрии частиц. При поглощении происходит фототермическая абляция , которая нагревает наночастицы и их непосредственное окружение до температур, способных убить раковые клетки. Это достигается с минимальным повреждением клеток в организме благодаря использованию «водного окна» (спектральный диапазон от 800 до 1300 нм). [1] Поскольку человеческое тело в основном состоит из воды, это оптимизирует используемый свет по сравнению с оказываемыми эффектами.
Эти золотые нанооболочки переносятся в опухоли с помощью фагоцитоза , когда фагоциты поглощают нанооболочки через клеточную мембрану, образуя внутреннюю фагосому или макрофаг . После этого они переносятся в клетку, и ферменты обычно используются для их метаболизма и выведения обратно из клетки. Эти нанооболочки не метаболизируются, поэтому для того, чтобы они были эффективными, им просто нужно находиться внутри опухолевых клеток , а для уничтожения опухолевых клеток используется фотоиндуцированная гибель клеток (как описано выше). Эта схема показана на рисунке 2.
Терапевтические средства на основе наночастиц успешно доставляются в опухоли, используя эффект повышенной проницаемости и удержания, свойство, которое позволяет наноразмерным структурам пассивно проникать в опухоли без помощи антител.[4] Доставка нанооболочек в важные области опухолей может быть очень сложной. Именно здесь большинство нанооболочек пытаются использовать естественный набор опухолью моноцитов для доставки, как показано на рисунке выше. Такая система доставки называется «троянский конь». [8]
Этот процесс работает так хорошо, поскольку опухоли состоят примерно на ¾ из макрофагов, и как только моноциты попадают в опухоль, она дифференцируется в макрофаги, которые также необходимы для поддержания наночастиц- грузов . Как только нанооболочки оказываются в некротическом центре, для уничтожения макрофагов, связанных с опухолью, используется ближнее инфракрасное освещение.
Кроме того, эти наночастицы могут быть сделаны так, чтобы высвобождать антисмысловые ДНК-олигонуклеотиды при фотоактивации. Эти олигонуклеотиды используются в сочетании с фототермической абляцией для проведения генной терапии. Это достигается за счет того, что комплексы наночастиц доставляются внутрь клеток, а затем подвергаются индуцированному светом высвобождению ДНК с их поверхности. Это позволит осуществлять внутреннюю манипуляцию клеткой и предоставит средства для мониторинга возвращения группы клеток в равновесие. [9]
Другой пример плазмоники нанооболочек в лечении рака включает размещение лекарств внутри наночастицы и использование ее в качестве средства для доставки токсичных лекарств только к раковым участкам. [10] Это достигается путем покрытия внешней поверхности наночастицы оксидом железа (что позволяет легко отслеживать ее с помощью аппарата МРТ ), затем, как только область опухоли покрыта наночастицами, заполненными лекарством, наночастицы можно активировать с помощью резонансных световых волн для высвобождения лекарства.
