(PhysOrg.com) -- Tegenwoordig, het dagelijkse leven zou ondenkbaar zijn zonder nanotechnologie. Het is ook alomtegenwoordig in de medische technologie, zowel in therapie als diagnostiek. Onderzoekers van ETH Zürich hebben nu in een interdisciplinair onderzoek zilveren nanodeeltjes zo geprepareerd dat ze op dit gebied nog meer potentieel bieden.

Nanodeeltjes gemaakt van zilver, kleiner dan een tienduizendste millimeter, hebben bijzondere optische eigenschappen die met name veelbelovende toepassingen voor medische technologie herbergen. Het enige probleem:nanozilverdeeltjes geven zilverionen af, die giftig zijn voor cellen. Wetenschappers onder leiding van Sotiris Pratsinis, een professor aan het Particle Technology Laboratory van ETH Zürich van het Institute of Process Engineering, zijn er nu in geslaagd de zilverdeeltjes zo te prepareren dat ze geen giftige ionen afgeven, maar hun optische – zogenaamde plasmonische – eigenschappen intact laten. Dit betekent dat de deeltjes in de geneeskunde kunnen worden gebruikt als plasmonische sensoren om pathogenen te identificeren of voor therapeutische doeleinden.

Laag siliciumdioxide beschermt cellen

Om het probleem van toxiciteit te omzeilen, de wetenschappers bedekten de nanodeeltjes met een speciale procedure met een twee nanometer dikke laag siliciumdioxide. In zijn proefschrift onder supervisie van Pratsinis, Georgios Sotiriou vergeleek de impact van onbehandelde zilveren nanodeeltjes met slechts gedeeltelijk en voltooide gecoate nanodeeltjes in een reeks experimenten.

In het geval van de volledig gecoate deeltjes, het transparante omhulsel tast de bijzondere lichteigenschappen van deze biosensoren niet aan. En aangezien zilverionen de schaal niet kunnen binnendringen, er is geen gevaar voor de cellen. Om dit aan te tonen, werkten de wetenschappers samen met Sven Panke, een professor van de afdeling Biosystems aan de ETH Zürich, en voegde Eschericha coli-bacteriën toe aan de deeltjes, die zich ongedeerd bleef voortplanten.

Kwantumeffecten gebruiken

De bijzondere plasmonische eigenschappen komen voort uit kwantumeffecten van de elektronen in de zilveren nanodeeltjes:licht interageert met de elektronen in het oppervlak van de plasmonische sensoren, waardoor ze gaan oscilleren. Het invallende licht wordt dus zwaar geabsorbeerd en verstrooid. De plasmonische sensoren gloeien daarom onder de zogenaamde donkerveldverlichting. Bijgevolg, ze zijn slechts het ticket voor het detecteren van virussen, bacteriën of kankercellen, bijvoorbeeld, of het transporteren van op de sensoren aangebrachte medicatie naar een specifieke plaats in het menselijk lichaam.

Uitgerust met een antilichaam, de deeltjes kunnen worden gehecht aan vooraf bepaalde biomoleculen. Bovendien, in samenwerking met Janos Vörös, een professor van het ETH Zürich's Institute for Biomedical Engineering, de wetenschappers konden aantonen dat ze ook kunnen worden gebruikt als zogenaamde labelvrije sensoren. Dit betekent dat alle eiwitmoleculen in de bloedbaan alleen door de fysieke absorptie tussen het molecuul en het sensoroppervlak aan de sensor blijven kleven en dus kunnen worden gedetecteerd. Dit werd onthuld in experimenten met runderserumalbumine als modeleiwitmolecuul. De eiwitmoleculen die aan de sensoren vastzitten, veroorzaken een lokale verandering in de brekingsindex op de plasmonische sensoren. De hogere brekingsindex van de oplossing zorgt ervoor dat de optische absorptie van de sensor verschuift naar een hogere lichtgolflengte. Hierdoor worden de biomoleculen zichtbaar, wat betekent dat ze gemakkelijk kunnen worden gedetecteerd.

Maar de geprepareerde zilveren nanodeeltjes hebben nog een ander voordeel, benadrukt Sotiriou:‘De gecoate nanodeeltjes zijn stabiel in serumsuspensies, zonder dat we stoffen hoeven toe te voegen die het experiment kunnen onderbreken.’

Transport ook mogelijk

In een recent gepubliceerd vervolgonderzoek in Chemistry of Materials, Het team van Pratsinis beschrijft hoe de functionaliteit van de met siliciumdioxide gecoate zilveren nanodeeltjes nog verder kan worden verbeterd:in samenwerking met Ann Hirt, een professor van het Instituut voor Geofysica van ETH Zürich, de onderzoekers coaten een ijzeroxide en een zilverdeeltje samen, waardoor de biosensor ook magnetisch wordt.

Deze multifunctionele deeltjes kunnen binden aan bepaalde cellen (bijvoorbeeld kankercellen zoals HeLa-cellen) en ze dus detecteren, zoals werd aangetoond in experimenten die werden uitgevoerd aan het Instituut voor Biochemie van ETH Zürich in samenwerking met Pierre-Yves Lozach. Door de magnetische eigenschappen van de deeltjes kunnen de deeltjes nu ook naar een bepaalde plaats worden geleid. De nanozilverdeeltjes zouden zich aan kankercellen kunnen hechten en ze daar plaatselijk kunnen elimineren met behulp van warmte van een hoogenergetisch magnetisch veld of infraroodstraling. ‘Dit is een uitermate interessant alternatief voor de niet-invasieve vernietiging van tumoren, ’ benadrukt Pratsinis.