Onder leiding van Petr Cígler van het Instituut voor Organische Chemie en Biochemie (IOCB Praag) en Martin Hrubý van het Instituut voor Macromoleculaire Chemie (IMC), een team van onderzoekers heeft een revolutionaire methode ontwikkeld voor de gemakkelijke en goedkope productie van bestraalde nanodiamanten en andere nanomaterialen die geschikt zijn voor gebruik in zeer gevoelige diagnostiek van ziekten, waaronder verschillende soorten kanker. Hun artikel is onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurcommunicatie .

Het diagnosticeren van ziekten en het begrijpen van de processen die plaatsvinden in cellen op moleculair niveau vereisen gevoelige en selectieve diagnostische instrumenten. Vandaag, wetenschappers kunnen magnetische en elektrische velden in cellen volgen met een resolutie van enkele tientallen nanometers en met opmerkelijke gevoeligheid dankzij kristaldefecten in de deeltjes van bepaalde anorganische materialen. Nanodiamanten zijn een bijna ideaal materiaal voor deze doeleinden. Vergeleken met de diamanten die in sieraden worden gebruikt, nanodiamanten zijn ongeveer 1 miljoen keer kleiner en worden onder hoge druk en temperatuur synthetisch geproduceerd uit grafiet.

Een pure nanodiamant onthult niet veel over zijn omgeving. Eerst, het kristalrooster moet onder gecontroleerde omstandigheden worden beschadigd om speciale defecten te veroorzaken, zogenaamde stikstof-leegstandscentra, die optische beeldvorming mogelijk maken. De schade wordt meestal veroorzaakt door nanodiamanten te bestralen met snelle ionen in deeltjesversnellers. Deze versnelde ionen zijn in staat om koolstofatomen uit het kristalrooster van een nanodiamant te slaan, gaten achterlaten die bekend staan ​​als vacatures, die bij hoge temperaturen gepaard gaan met stikstofatomen die als verontreinigingen in het kristal aanwezig zijn. De nieuw gevormde stikstof-leegstandscentra zijn een bron van waarneembare fluorescentie, wat nanodiamanten een groot potentieel geeft voor toepassingen in de geneeskunde en technologie.

Een fundamentele beperking voor het gebruik van deze materialen op grotere schaal, echter, zijn de hoge kosten en de slechte efficiëntie van het bestralen van ionen in een versneller, waardoor het ontstaan ​​van dit uitzonderlijk waardevolle materiaal in grotere hoeveelheden wordt voorkomen.

De wetenschappers onder leiding van Petr Cígler en Martin Hrubý publiceerden onlangs een artikel in het tijdschrift Natuurcommunicatie beschrijft een geheel nieuwe methode om nanokristallen te bestralen. In plaats van kostbare en tijdrovende bestraling in een versneller, de wetenschappers maakten gebruik van bestraling in een kernreactor, wat veel sneller en veel goedkoper is.

De wetenschappers moesten een trucje gebruiken - in de reactor, neutronenbestraling splitst booratomen in zeer lichte en snelle ionen van helium en lithium. De nanokristallen moeten eerst worden gedispergeerd in gesmolten booroxide en vervolgens worden onderworpen aan neutronenbestraling in een kernreactor. Neutronenvangst door boorkernen produceert een dichte regen van helium- en lithiumionen, die binnen de nanokristallen hetzelfde effect hebben als de ionen die in een versneller worden geproduceerd:het gecontroleerd ontstaan ​​van kristaldefecten. Door de hoge dichtheid van deze deeltjesregen en het gebruik van een reactor om een ​​veel grotere hoeveelheid materiaal te bestralen, is het eenvoudiger en veel goedkoper om tientallen grammen zeldzaam nanomateriaal in één keer te produceren, dat is ongeveer 1000 keer meer dan wetenschappers tot nu toe hebben kunnen verkrijgen door vergelijkbare bestraling in versnellers.

De methode is niet alleen succesvol gebleken bij het creëren van defecten in de roosters van nanodiamanten, maar ook van een ander nanomateriaal:siliciumcarbide. Om deze reden, wetenschappers geloven dat de methode universele toepassing zou kunnen vinden in de grootschalige productie van nanodeeltjes met gedefinieerde defecten.

De nieuwe methode maakt gebruik van het principe dat wordt toegepast in borium neutron capture therapy (BNCT), waarbij patiënten een boorverbinding krijgen toegediend. Zodra de verbinding zich in de tumor heeft verzameld, de patiënt krijgt bestralingstherapie met neutronen, die de boorkernen splitst in ionen van helium en lithium. Deze vernietigen vervolgens de tumorcellen waarin het borium zich heeft verzameld. Dit principe uit experimentele kankerbehandeling heeft dus de deur geopend naar de efficiënte productie van nanomaterialen met een uitzonderlijk potentieel voor toepassingen in, onder andere gebieden, diagnostiek van kanker.