Stel je een microscopisch kleine gouden pil voor die naar een specifieke locatie in je lichaam kan reizen en een medicijn kan afleveren precies waar het nodig is. Dit is de belofte van plasmonische nanoblaasjes.

Deze minuscule capsules kunnen door de bloedbaan navigeren, en, wanneer geraakt met een snelle puls van laserlicht, van vorm veranderen om hun inhoud vrij te geven. Het kan dan het lichaam verlaten, alleen het gewenste pakket achterlaten.

Deze on-demand, licht-getriggerde medicijnafgiftemethode zou de geneeskunde kunnen transformeren, vooral de behandeling van kanker. Clinici beginnen plasmonische nanovesikels te testen op hoofd- en nektumoren. Ze kunnen ook helpen om het zenuwstelsel in realtime te bestuderen en inzicht te geven in hoe de hersenen werken.

Echter, zoals veel aspecten van nanotechnologie, de duivel is in de details. Er is nog veel onbekend over het specifieke gedrag van deze nanodeeltjes - bijvoorbeeld de golflengten van het licht waarop ze reageren en hoe ze het beste kunnen worden gemanipuleerd.

Schrijven in het oktobernummer van 2017 Geavanceerde optische materialen , Zhenpeng Qin, een assistent-professor Werktuigbouwkunde en Bio-engineering aan de Universiteit van Texas in Dallas, zijn team, en medewerkers van de Universiteit van Reims (Dr. Jaona Randrianalisoa), rapporteerde de resultaten van computationeel onderzoek naar de collectieve optische eigenschappen van complexe plasmonische blaasjes.

Ze gebruikten de Stampede en Lonestar supercomputers in het Texas Advanced Computing Center, evenals systemen in het ROMEO Computing Center aan de Universiteit van Reims Champagne-Ardenne en het San Diego Supercomputing Center (via de Extreme Science and Engineering Discovery Environment) om grootschalige virtuele experimenten met door licht getroffen blaasjes uit te voeren.

"Veel mensen maken nanodeeltjes en observeren ze met behulp van elektronenmicroscopie, " zei Qin. "Maar de berekeningen geven ons een unieke kijk op het probleem. Ze zorgen voor een beter begrip van de fundamentele interacties en inzichten, zodat we deze deeltjes beter kunnen ontwerpen voor specifieke toepassingen."

Opvallend biomedisch goud

Gouden nanodeeltjes zijn een veelbelovend voorbeeld van een plasmonisch nanomateriaal. In tegenstelling tot normale stoffen, plasmonische nanodeeltjes (meestal gemaakt van edele metalen) hebben ongebruikelijke verstrooiing, absorptie, en koppelingseigenschappen vanwege hun geometrieën en elektromagnetische eigenschappen. Een gevolg hiervan is dat ze een sterke wisselwerking hebben met licht en kunnen worden verwarmd door zichtbaar en ultraviolet licht, zelfs op afstand, wat leidt tot structurele veranderingen in de deeltjes, van smelten tot expansie tot fragmentatie.

Met gouden nanodeeltjes gecoate liposomen - bolvormige zakjes die een waterige kern omsluiten die kunnen worden gebruikt om medicijnen of andere stoffen in de weefsels te vervoeren - zijn aangetoond als veelbelovende middelen voor door licht geïnduceerde inhoudsafgifte. Maar deze nanodeeltjes moeten het lichaam via het nierstelsel kunnen zuiveren, die de grootte van de nanodeeltjes beperkt tot minder dan enkele nanometers.

De specifieke vorm van het nanodeeltje, bijvoorbeeld hoe dicht de afzonderlijke goudmoleculen bij elkaar staan, hoe groot de kern is, en de maat, vorm, dichtheid en oppervlaktecondities van het nanodeeltje - bepaalt hoe, en hoe goed, de functies van nanodeeltjes en hoe deze gemanipuleerd kunnen worden.

Qin heeft zijn aandacht de afgelopen jaren gericht op de dynamiek van clusters van kleine gouden nanodeeltjes met liposoomkernen, en hun toepassingen in zowel diagnostische als therapeutische gebieden.

"Als we de nanodeeltjes rond een nanoblaasje plaatsen, we kunnen laserlicht gebruiken om het blaasje te openen en moleculen van interesse vrij te geven, " legde hij uit. "We hebben de mogelijkheid om een ​​ander aantal deeltjes rond een blaasje te assembleren door het blaasje in een laag van zeer kleine deeltjes te coaten. Hoe kunnen we deze structuur ontwerpen? Het is een heel interessant en complex probleem. Hoe interageren de nanodeeltjes met elkaar - hoe ver zijn ze uit elkaar, hoeveel zijn er?"

Simulaties bieden fundamentele en praktische inzichten

Om inzicht te krijgen in de manier waarop plasmonische nanodeeltjes werken en hoe ze optimaal kunnen worden ontworpen, Qin en collega's gebruiken naast laboratoriumexperimenten computersimulatie.

In hun recente studie, Qin en zijn team simuleerden verschillende liposoomkernen, gouden nanodeeltjesdeklaaggroottes, een breed scala aan coatingdichtheden, en willekeurige versus uniforme coatingorganisaties. De coatings bevatten enkele honderden individuele gouddeeltjes, die zich collectief gedragen.

"Het is heel eenvoudig om één deeltje te simuleren. Je kunt het op een gewone computer doen, maar we zijn een van de eersten die naar een complex blaasje kijken, "Zei Randrianalisoa. "Het is echt opwindend om te zien hoe aggregaten van nanodeeltjes die de lipidekern omringen, gezamenlijk de optische respons van het systeem wijzigen."

Het team gebruikte de discrete dipoolbenadering (DDA) berekeningsmethode om voorspellingen te doen van de optische absorptiekenmerken van de met goud beklede liposoomsystemen. Met DDA kan men de verstrooiing van straling berekenen door deeltjes van willekeurige vorm en organisatie. De methode heeft het voordeel dat het team nieuwe complexe vormen en structuren kan ontwerpen en kwantitatief kan bepalen wat hun optische absorptiekenmerken zullen zijn.

De onderzoekers ontdekten dat de gouden nanodeeltjes die het buitenoppervlak vormen voldoende dicht bij elkaar moeten zijn, of zelfs overlappend, om voldoende licht te absorberen om het toedieningssysteem effectief te laten zijn. Ze identificeerden een intermediair bereik van optische omstandigheden die het 'zwarte goudregime' worden genoemd, " waar de dicht opeengepakte gouden nanodeeltjes reageren op licht bij alle golflengten, die zeer nuttig kan zijn voor een reeks toepassingen.

"We willen deeltjes ontwikkelen die interageren met licht in het nabij-infrarode bereik - met golflengten van ongeveer 700 tot 900 nanometer - zodat ze dieper in het weefsel doordringen, ' legde Qin uit.

Ze verwachten dat deze studie ontwerprichtlijnen voor nano-ingenieurs zal opleveren en een significante impact zal hebben op de verdere ontwikkeling van complexe plasmonische nanostructuren en blaasjes voor biomedische toepassingen.

(In een afzonderlijke studie gepubliceerd in ACS Sensors in oktober 2017, Qin en medewerkers toonden de effectiviteit aan van gouden nanodeeltjes voor testen die infectieziekten en andere biologische en chemische doelen detecteren.)

Geïnspireerd door recente ontwikkelingen in de optogenetica, die licht gebruikt om cellen (meestal neuronen) in levende weefsels te controleren, Qin en zijn team zijn van plan de technologie te gebruiken om een ​​veelzijdig optisch getriggerd systeem te ontwikkelen om realtime studies van hersenactiviteit en gedrag uit te voeren.

Hij hoopt dat de snelle release-functie van de nieuwe techniek voldoende snelheid zal bieden om neuronale communicatie in neurowetenschappelijk onderzoek te bestuderen.

"Er zijn veel mogelijkheden om berekeningen te gebruiken om fundamentele interacties en mechanismen te begrijpen die we niet kunnen meten, "Zei Qin. "Dat kan teruggrijpen op ons experimenteel onderzoek, zodat we deze verschillende technieken beter kunnen ontwikkelen om mensen te helpen."