"Harige" nanodeeltjes gemaakt van lichtgevoelige materialen die zichzelf assembleren, zouden op een dag "nano-dragers" kunnen worden, wat artsen een nieuwe manier biedt om tegelijkertijd zowel therapeutische medicijnen als kankerbestrijdende warmte in tumoren te introduceren. Dat is een mogelijke toepassing voor een nieuwe technologie die waterafstotende maar toch lichtgevoelige en waterabsorberende materialen combineert tot polymere nanoreactoren voor het maken van fotogevoelige gouden nanodeeltjes.

Licht van specifieke golflengten zorgt ervoor dat de nanodeeltjes op verzoek assembleren en demonteren, waardoor de dynamische organisatie van de nanodeeltjes voor slimme in vitro geneesmiddelafgifte mogelijk wordt. Door chemotherapiemoleculen op te nemen in de nanodeeltjesstructuren wanneer ze worden geassembleerd, de moleculen kunnen in tumoren worden getrokken - en vervolgens worden vrijgegeven met de toepassing van licht met een kortere golflengte die demontage veroorzaakt door foto-splitsing.

Naast een dergelijke dynamische zelfmontage en demontage, de inkapseling en afgifte van chemotherapiemoleculen zou ook kunnen worden bereikt door reversibele covalente binding van geneesmiddelen tegen kanker aan de polymere "haren" die zich op het oppervlak van nanodeeltjes bevinden. En door hetzelfde licht te absorberen dat de medicijnafgifte veroorzaakt, de gouden nanodeeltjes kunnen ook de kankercellen verwarmen, een dubbele stoot geven.

In een breed scala van andere toepassingen, het zelfassemblageproces van nanodeeltjes kan ook worden veroorzaakt door omgevingsfactoren, waaronder temperatuur, pH of oplosmiddelpolariteit door de polymere haren rationeel te ontwerpen. In dit onderzoek, gouden nanodeeltjes werden gebruikt, maar het proces kan ook zelf-geassembleerde nanodeeltjes maken van een verscheidenheid aan metalen en metaaloxiden. Door het oppervlak van nanodeeltjes aan te passen met waterabsorberende polymeren die bijna-infrarood responsieve componenten bevatten, de geneesmiddelafgifte zou in vivo kunnen worden uitgevoerd.

De bolvormige gouden nanodeeltjes kunnen worden vervangen door meer complex gevormde nanomaterialen - zoals holle nanodeeltjes, nanostaafjes, of nanobuisjes - om een ​​betere absorptie van nabij-infrarood licht te maken om biologische weefsels binnen te dringen. Deze nanodeeltjes zijn tot nu toe niet getest in levende cellen of organismen.

Het onderzoek werd ondersteund door het Air Force Office of Scientific Research en de National Science Foundation, en werd op 31 januari gerapporteerd in de vroege editie van het tijdschrift Proceedings van de National Academy of Sciences . Materiaalwetenschappers van het Georgia Institute of Technology en de South China University of Technology waren co-auteur van het artikel.

"We stellen ons voor dat deze fotogevoelige, met polymeer bedekte gouden nanodeeltjes ooit zouden kunnen dienen als nano-dragers voor medicijnafgifte in het lichaam met behulp van ons robuuste en omkeerbare proces voor montage en demontage, " zei Zhiqun Lin, een professor aan de Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Gebruikt bij kankertherapie, dit proces zou de impact van een behandeling kunnen vergroten door de kankercellen te verwarmen terwijl de medicijnverbinding in de tumor wordt geïntroduceerd."

onder licht, de assemblages van fotogevoelige nanodeeltjes scheiden zich over een periode van uren met een snelheid die kan worden gecontroleerd door de intensiteit en golflengte van het licht. "Omdat de demontage naar believen kan worden in- en uitgeschakeld, we zouden een getimede afgifte van het medicijn kunnen bieden door de blootstelling aan licht op korte golflengte te beheersen, " voegde Lin toe.

De harige nanodeeltjes zijn gefabriceerd rond een piepklein kern van bèta-cyclodextrine waaruit polymeerketens van poly(acrylzuur)-blok-poly(7-methylacryloyloxy-4-methylcumarine) (PAA-b-PMAMC) worden gekweekt. Dat materiaal trekt in water oplosbare metaalprecursoren aan, die de ruimte in de polymeerharen gebruiken als nanoreactoren om gouden nanodeeltjes te vormen.

Aan deze binnenstructuren - die hydrofiele PAA-polymeren zijn - voegen de onderzoekers haren toe die gemaakt zijn van het hydrofobe monomeer MAMC. Deze materialen zijn gevoelig voor licht, en ervoor zorgen dat de nanodeeltjes zichzelf assembleren via een foto-dimerisatieproces - crosslinking - wanneer ze worden blootgesteld aan licht met een golflengte van 365 nanometer.

Het assemblageproces kan op aanvraag betrouwbaar worden omgekeerd met een kortere golflengte van 254 nanometer.

"Zodra de polymeerketens van aangrenzende gouden nanodeeltjes beginnen te fotocrosslinken, ze brengen nanodeeltjes samen via een zelfassemblageproces om grote assemblages van nanodeeltjes te genereren, "zei Lin. "Dit proces is volledig omkeerbaar en kan in vele cycli worden herhaald."

Het onderzoeksteam nam kleurstofmoleculen op in de zelf-geassembleerde nanodeeltjes om te simuleren wat er zou kunnen worden gedaan om chemotherapiemiddelen op te nemen en vervolgens vrij te geven. Een magnetisch oxidemateriaal dat in de nanodeeltjes is verwerkt, zou het mogelijk kunnen maken dat de assemblages door een externe magneet naar een tumorplaats worden geleid, en kan ook diagnostische beeldvorming ondersteunen.

Naast de activiteit van de drugs, de plasmonische effecten van de gouden nanodeeltjes kunnen de nanodeeltjes verwarmen wanneer ze worden blootgesteld aan licht, de kankercellen aanvallen via een tweede route.

Naast de mogelijke medische toepassingen, de zelfassemblagetechniek zou toepassingen kunnen hebben in de optica, opto-elektronica, magnetische technologieën, detectiematerialen en apparaten, katalyse en nanotechnologie. De techniek zou ook kunnen leiden tot nieuw fundamenteel onderzoek in kristallisatiekinetiek, met behulp van het zelfassemblageproces om "kunstmatige kristallen" te creëren die bij elkaar worden gehouden door polymeerketens.

Lin's lab heeft een aantal jaren gewerkt aan de amfifiele stervormige blokpolymeren, het toevoegen van nieuwe functies en het verkennen van nieuwe mogelijkheden voor de nanodeeltjessystemen.

"Ons werk biedt een ontwerpstrategie die de manipulatie van zowel het buitenste blok als het binnenste blok van een stervormig blokcopolymeer mogelijk maakt, " zei hij. "Onze fundamentele bijdrage in dit werk is om oordeelkundig een stervormig blokcopolymeer te bereiden waarin het binnenste blok het vermogen heeft om te coördineren met metaalprecursoren, terwijl het buitenste blok fotogevoelige materialen laat interageren, wat op zijn beurt het vervaardigen van foto-responsieve gouden nanodeeltjes voor licht-enabled omkeerbare en betrouwbare zelfassemblage mogelijk maakt."