(Phys.org) - Een internationaal onderzoeksteam heeft unieke fotoluminescente nanodeeltjes gecreëerd die duidelijk door meer dan 3 centimeter biologisch weefsel schijnen - een diepte die ze een veelbelovend hulpmiddel maakt voor optische bio-imaging van diep weefsel.

Hoewel optische beeldvorming een robuuste en goedkope techniek is die vaak wordt gebruikt in biomedische toepassingen, huidige technologieën missen het vermogen om diep in weefsel te kijken, aldus de onderzoekers.

Dit creëert een vraag naar de ontwikkeling van nieuwe benaderingen die hoge resolutie, optische bio-imaging met hoog contrast die artsen en wetenschappers zouden kunnen gebruiken om tumoren of andere anomalieën diep onder de huid te identificeren.

De nieuw gecreëerde nanodeeltjes bestaan ​​uit een nanokristallijne kern met daarin thulium, natrium, ytterbium en fluor, allemaal ingekapseld in een vierkant, calcium-fluoride schaal.

De deeltjes zijn om verschillende redenen bijzonder. Eerst, ze absorberen en zenden bijna-infrarood licht uit, waarbij het uitgezonden licht een veel kortere golflengte heeft dan het geabsorbeerde licht. Dit is anders dan hoe moleculen in biologische weefsels licht absorberen en uitstralen, wat betekent dat wetenschappers de deeltjes kunnen gebruiken om diepere, contrastrijkere beeldvorming dan traditionele op fluorescentie gebaseerde technieken.

Tweede, het materiaal voor de schaal van de nanodeeltjes - calciumfluoride - is een stof die voorkomt in bot- en tandmineralen. Dit maakt de deeltjes compatibel met de menselijke biologie, het risico op nadelige effecten te verkleinen. De schaal blijkt ook de fotoluminescentie-efficiëntie aanzienlijk te verhogen.

Licht geven, de deeltjes maken gebruik van een proces dat bijna-infrarood-naar-nabij-infrarood up-conversie wordt genoemd, of "NIR-naar-NIR." Door dit proces, de deeltjes absorberen paren fotonen en combineren deze tot enkele, fotonen met hogere energie die vervolgens worden uitgezonden.

Een van de redenen waarom NIR-naar-NIR ideaal is voor optische beeldvorming, is dat de deeltjes licht absorberen en uitzenden in het nabij-infrarode gebied van het elektromagnetische spectrum, die achtergrondinterferentie helpt verminderen. Dit deel van het spectrum staat bekend als het "venster van optische transparantie" voor biologisch weefsel, aangezien het biologische weefsel in dit bereik het licht het minst absorbeert en verstrooit.

De wetenschappers testten de deeltjes in experimenten waarbij ze werden geïnjecteerd in muizen, en beeldvorming van een capsule vol met de deeltjes door een plak varkensvlees van meer dan 3 centimeter dik. In ieder geval, konden de onderzoekers levendige, contrastrijke beelden van de deeltjes die door het weefsel schijnen.

De resultaten van de studie verschenen op 28 augustus online in de ACS Nano logboek. De internationale samenwerking omvatte onderzoekers van de Universiteit van Buffalo en andere instellingen in de VS, China, Zuid Korea en Zweden. Het werd mede geleid door Paras N. Prasad, een SUNY Distinguished Professor en uitvoerend directeur van UB's Institute for Lasers, Fotonica en Biofotonica (ILPB), en Gang Han, een assistent-professor aan de University of Massachusetts Medical School.

"We verwachten dat de ongeëvenaarde eigenschappen in de kern/schil-nanokristallen die we hebben ontworpen, de talrijke ontkoppelingen tussen in vitro en in vivo studies zullen overbruggen, en uiteindelijk leiden tot nieuwe ontdekkingen op het gebied van biologie en geneeskunde, " zei Han, uiting geven aan zijn enthousiasme over de onderzoeksresultaten.

Studie co-auteur Tymish Y. Ohulchanskyy, adjunct-directeur van ILPB, is van mening dat de optische beelddiepte van 3 centimeter ongekend is voor nanodeeltjes die zo'n contrastrijke visualisatie bieden.

"Medische beeldvorming is een opkomend gebied, en optische beeldvorming is een belangrijke techniek op dit gebied, "zei Ohulchanskyy. "De ontwikkeling van dit nieuwe nanoplatform is een echte stap voorwaarts voor optische bio-imaging van dieper weefsel."

De eerste auteurs van het papier waren Guanying Chen, onderzoeksassistent-professor aan ILPB en wetenschapper aan het Chinese Harbin Institute of Technology en het Zweedse Royal Institute of Technology en Jie Shen van de University of Massachusetts Medical School. Andere instellingen die hebben bijgedragen, waren onder meer het Roswell Park Cancer Institute, de Universiteit van North Carolina in Chapel Hill en Korea University in Seoul.

De volgende stap in het onderzoek is het onderzoeken van manieren om de nanodeeltjes te richten op kankercellen en andere biologische doelwitten die in beeld kunnen worden gebracht. Chen, Shen en Ohulchanskyy zeiden dat de hoop is dat de nanodeeltjes een platform worden voor multimodale bio-imaging.