In campy oude films, Lucretia Borgia zwiert rond terwijl ze poeder uit haar ring in wijnglazen giet die achteloos onbeheerd werden achtergelaten. De gifring is meestal een confectie van gouden filigraan met een cabochon of gefacetteerde edelsteen die kan worden gebroken om de inhoud van de ring te legen. Het is altijd enorm - zo groot dat het nogal vreemd is dat niemand het lijkt op te merken.

Lucretia zou haar oog hebben laten vallen op de 'slimme capsule' die is ontworpen in het laboratorium van Younan Xia aan de Washington University in St. Louis. Een kleine kooi van goud bedekt met een slimme polymeer, het reageert op licht, openen om de inhoud te legen, en opnieuw verzegelen wanneer het licht is uitgeschakeld. Oneindig geslepener en discreter dan de ring van Lucretia, de nanokooi is te klein om te zien - behalve indirect:miljarden veranderen de kleur van vloeistof in een reageerbuis.

Geen Lucretia, Xia is een genezer in plaats van een gifmenger. De slimme nanocage is ontworpen om te worden gevuld met een medicinale substantie, zoals een medicijn voor chemotherapie of bactericide. Het vrijgeven van zorgvuldig getitreerde hoeveelheden van een medicijn alleen in de buurt van het weefsel dat het beoogde doelwit van het medicijn is, dit toedieningssysteem zal de gunstige effecten van het medicijn maximaliseren terwijl de bijwerkingen worden geminimaliseerd.

De methode voor het maken van de capsules en het testen van hun prestaties verscheen online op 1 november. 2009, als onderdeel van het geavanceerde online publicatieprogramma van het tijdschrift Natuurmaterialen .

De eerste stap bij het maken van een slimme capsule is het door elkaar halen van een partij zilveren nanoblokjes. Kleine eenkristalblokjes zilver kunnen worden gemaakt door zilvernitraat (AgNO ₃ ) naar een oplossing die elektronen afstaat aan de zilverionen, waardoor ze neerslaan als massief zilver. De toevoeging van een andere chemische stof stimuleert de zilveratomen om zich op sommige delen van een zaadkristal af te zetten in plaats van op andere, de zaden overhalen om scherpe kubussen te vormen in plaats van misvormde brokken.

Een tweede stap knipt alle acht hoeken van de kubussen.

De geknipte zilveren blokjes dienen dan als "opofferingssjablonen, " waarop de gouden kooien vorm krijgen. Wanneer de zilveren nanokubussen worden verwarmd in chloorgoudzuur (HAuCl ₄ ), de goudionen in het zuur stelen elektronen van de zilveratomen in de kubussen. Het zilver lost op en het goud slaat neer.

Een gouden huid vormt zich op de zilveren kubussen terwijl de kubussen van binnenuit worden uitgehold. De zilveratomen komen in oplossing via poriën die zich vormen in de geknipte hoeken van de kubussen.

"Maar het echt coole deel, " zegt Xia, "en het koele deel van nanotechnologie in het algemeen, is dat de kleine gouden kooien heel andere eigenschappen hebben dan bulkgoud." ze reageren anders op licht.

De natuurkundige Michael Faraday was de eerste die zich realiseerde dat een suspensie van gouddeeltjes robijnrood gloeide omdat de deeltjes extreem klein waren. "Zijn originele monster van een gouden colloïde bevindt zich nog steeds in het Faraday Museum in Londen, " zegt Xia, doctoraat, de James M. McKelvey Professor in de afdeling Biomedical Engineering. "Is dat niet geweldig? Het is meer dan 150 jaar later en het is er nog steeds."

De kleur wordt veroorzaakt door een fysiek effect dat oppervlakteplasmonresonantie wordt genoemd. Sommige elektronen in de gouddeeltjes zijn niet verankerd aan individuele atomen, maar vormen in plaats daarvan een vrij zwevend elektronengas. Licht dat op deze elektronen valt, kan ze ertoe brengen als één geheel te oscilleren. Deze collectieve trilling, het oppervlakteplasmon, kiest een bepaalde golflengte, of kleur, uit het invallende licht, en dit is de kleur die we zien.

De sterke respons bij een bepaalde golflengte, resonantie genoemd, is wat een vioolsnaar laat trillen op een bepaalde toonhoogte of een kind een schommel hoog in de lucht laat pompen door op het juiste moment te trappen.

Bovendien, de oppervlakteplasmonresonantie is in vrijwel dezelfde zin afstembaar als een viool.

"Faraday gebruikte vaste deeltjes om zijn colloïde te maken, " zegt Xia. "Je kunt de resonantiegolflengte afstemmen door de grootte van de deeltjes te veranderen, maar alleen binnen nauwe grenzen. Je kunt niet op de golflengten komen die we willen."

De golflengten die hij wil zijn die waarop menselijk weefsel relatief transparant is, zodat kooien in de bloedbaan kunnen worden geopend door laserlicht dat op de huid schijnt.

De kleur van nanokooien kan over een groter bereik worden afgestemd dan vaste deeltjes door de dikte van de wanden van de kooien te veranderen, zegt Xia. Naarmate er meer goud wordt afgezet en de schelpen dikker worden, een suspensie van nanokooien verschuift van rood, naar paars, tot helderblauw, tot donkerblauw, naar de golflengten in het nabij-infrarood.

Xia's team wil een smal venster van weefseltransparantie raken dat tussen 750 en 900 nanometer ligt, in het nabij-infrarood. Dit venster wordt aan de ene kant begrensd door golflengten die sterk worden geabsorbeerd door bloed en aan de andere kant door golflengten die sterk worden geabsorbeerd door water.

Licht op deze goede plek kan tot enkele centimeters diep in het lichaam doordringen.

"Vroeger deden mensen een demonstratie bij gesprekken, "Xia zegt, lachend. "Ze stopten een rode diodelaser in hun mond, en het publiek kon het van buiten zien, omdat de golflengte van de diode 780 nanometer is, een golflengte waarop het vlees vrij transparant is."

Hier wordt het nog lastiger en nog verbazingwekkender. De resonantie bestaat eigenlijk uit twee delen. Bij de resonantiefrequentie, licht kan van de kooien worden verstrooid, door hen geabsorbeerd, of een combinatie van deze twee processen.

Net zoals ze de oppervlakte-plasmonresonantie kunnen afstemmen, de wetenschappers kunnen aanpassen hoeveel energie wordt geabsorbeerd in plaats van verspreid door de grootte en porositeit van de nanokooien te manipuleren.

Xia illustreert het verschil tussen verstrooiing en absorptie met een prachtig Romeins artefact, de 4e-eeuwse Lycurgus Cup. De beker ziet er van buiten jadegroen uit, maar wordt roze als hij van binnen wordt aangestoken.

Moderne analyse toont aan dat het oude glas nanodeeltjes bevat van een zilver-goudlegering die licht sterk verstrooit op een golflengte in het groene deel van het spectrum. Wanneer de beker van binnenuit wordt aangestoken, echter, het groene licht wordt geabsorbeerd, en we zien het resterende licht, die overwegend rood is, de complementaire kleur van groen.

Het is eigenlijk de absorptiecomponent die de wetenschappers gebruiken om de nanokooien te openen en te sluiten. Als het licht wordt geabsorbeerd, wordt het omgezet in warmte, en de nanokooien zijn bedekt met een speciaal polymeer dat op een interessante manier op warmte reageert.

het polymeer, poly(N-isopropylacrylamide), en zijn derivaten hebben een zogenaamde kritische temperatuur. Wanneer het deze temperatuur bereikt, ondergaat het een transformatie die een faseverandering wordt genoemd.

Als de temperatuur lager is dan de kritische temperatuur, de polymeerketens zijn waterminnend en steken als borstels uit de kooi. De borstels sluiten de poriën van de kooi af en voorkomen dat de lading eruit lekt. Als de temperatuur boven de kritische temperatuur ligt, anderzijds, de polymeerketens mijden water, samen krimpen en instorten. Terwijl ze krimpen, de poriën van de kooi gaan open, en de inhoud ervan stroomt naar buiten.

"Het is een beetje contra-intuïtief, "zegt Xia. "Meestal als je naar een hogere temperatuur gaat, een molecuul zal uitzetten, maar deze doet het tegenovergestelde."

Zoals al het andere aan dit systeem, het polymeer is afstembaar. De wetenschappers kunnen de kritische temperatuur regelen door de samenstelling ervan te veranderen. Voor medische toepassingen, ze stemmen de kritische temperatuur af op één net boven de lichaamstemperatuur (37 graden Celsius) maar ruim onder de 42 graden Celsius (107 graden Fahrenheit), de temperatuur waarbij warmte cellen zou beginnen te doden.

Daarna komt het leuke gedeelte. Nadat ze hun slimme capsules hadden gemaakt, de wetenschappers testten ze door ze te laden met een felrode kleurstof genaamd alazarin crimson, of roos meekrap. De kleurstof maakte het gemakkelijk om elke afgifte te detecteren en te meten met een spectrometer.

De kooien werden geladen door ze te schudden in een oplossing van de kleurstof bij een temperatuur boven de kritische temperatuur van het slimme polymeer. Volgende, ze werden ondergedompeld in een ijsbad om het polymeer te activeren om de poriën te sluiten en de kleurstof in de kooien op te sluiten. De kooien werden vervolgens weer geopend door ze te baden in het licht van een nabij-infrarood laser. Geabsorbeerd licht verwarmde de gouden kooien tot boven de kritische temperatuur en veroorzaakte de faseverandering van het polymeer. Het polymeer stortte in, de poriën van de kooien waren blootgelegd, en kleurstof gemorst.

Vervolgens laadde het team capsules met doxorubicine, een veelgebruikt medicijn voor chemotherapie en, de afgifte van het medicijn teweegbrengen met een laser, gedood borstkankercellen groeien in putjes op een plastic plaat.

En tenslotte, ze vulden de capsules met een enzym dat de celwanden van bacteriën opensnijdt en gebruikten ze om een ​​bacterie te doden die een normaal onderdeel is van de flora van onze mond en keel.

Lucretia, eet je hart uit.

Bron:Washington University in St. Louis (nieuws:web)