Russische natuurkundigen van de ITMO University hebben ontdekt dat sferische siliciumnanodeeltjes effectief kunnen worden verwarmd en tegelijkertijd licht kunnen uitstralen, afhankelijk van hun temperatuur. Volgens de wetenschappers deze eigenschappen, in combinatie met een goede biocompatibiliteit, hebben toepassingen in fotothermische therapie en nanochirurgie. De onderzoekers zijn van plan om in de toekomst de verwarming van de siliciumdeeltjes te regelen om kankercellen inwendig te verbranden zonder gezond weefsel aan te tasten. De resultaten verschenen in het prestigieuze tijdschrift Nano-letters .

Bij het uitvoeren van fotothermische therapie en nanochirurgie, artsen injecteren nanodeeltjes van biocompatibele metalen zoals goud in een menselijk lichaam, concentreer ze op een tumor en bestraal ze met een laser. Biologische weefsels zijn transparant voor infrarood licht, maar metalen nanodeeltjes absorberen het goed en zetten het om in warmte die kankercellen verbrandt. Echter, het meten van een lokale temperatuur van gouden nanodeeltjes is een uiterst moeilijke taak die, indien niet goed gedaan, kan leiden tot oververhitting en beschadiging van gezond weefsel.

In de nieuwe studie resonante silicium nanodeeltjes worden nog sneller opgewarmd dan gouden nanodeeltjes vanwege betere resonerende eigenschappen en kunnen hun temperatuur signaleren door licht met verschillende golflengten te verstrooien. Dit effect staat in de optica bekend als Raman-verstrooiing. Bovendien, deze verstrooiing kan worden geregistreerd zonder complexe apparaten of vacuümsystemen die nodig zijn voor het opvangen van signalen van metalen.

"Gouden nanodeeltjes worden veel gebruikt in fotothermische therapie, fotochemie en nanochirurgie. Maar de optische respons van dergelijke middelen geeft geen informatie over hoeveel ze worden verwarmd, omdat metalen het Raman-lichtsignaal nooit opnieuw uitzenden. Ook was bekend dat silicium een ​​optische respons heeft die sterk verandert met de temperatuur. Maar niemand had gedacht dat een silicium nanodeeltje zou kunnen worden gebruikt als een efficiënte verwarming, hoewel het aanzienlijk lagere optische verliezen heeft dan goud, " zegt George Zograf, afgestudeerde student van de afdeling Nano-Photonics and Metamaterials aan de ITMO University.

Wetende dat de optische respons van silicium sterk afhangt van de temperatuur en dat het biocompatibel is, de onderzoekers testten hoe effectief de nanodeeltjes opwarmen en hoe nauwkeurig de temperatuur kon worden gemeten. De onderzoekers verhoogden de temperatuur van silicium nanodeeltjes door ze te belichten met een laser en het uitgezonden Raman-signaal op te nemen, waardoor gelijktijdige temperatuurdetectie mogelijk was.

In de tussentijd, in tegenstelling tot de gouden nanosferen, de geteste siliciumdeeltjes waren vier keer efficiënter in het omzetten van laserstraling in warmte. Dit zou het mogelijk maken de temperatuur van de nanodeeltjes te veranderen met een minder krachtige laserstraal zonder nabijgelegen gezond weefsel te verwarmen.

De onderzoekers denken dat de halfgeleider nanodeeltjes een goedkoper en veiliger alternatief voor metaal kunnen zijn. "In de toekomst, men zal kankercellen met hoge precisie kunnen doden door ze te verhitten met behulp van dergelijke nanosystemen. De real-time optische controle van hun temperatuur zal voorkomen dat gezonde cellen ongecontroleerde oververhitting, " concludeert Sergey Makarov, senior onderzoeker van de afdeling Nanophotonics and Metamaterials aan de ITMO University.