Эти мельчайшие капсулы могут перемещаться по кровотоку и при попадании в них быстрого импульса лазерного света меняют форму, высвобождая свое содержимое. Затем он может выйти из тела, оставив только желаемый пакет.
Этот метод высвобождения лекарства по требованию с запуском по свету может изменить медицину, особенно лечение рака. Клиницисты начинают тестировать плазмонные нанопузырьки на опухолях головы и шеи. Они также могут помочь в изучении нервной системы в режиме реального времени и дать представление о том, как работает мозг.Однако, как и во многих других аспектах нанотехнологии, дьявол кроется в деталях.
Многое остается неизвестным об особенностях поведения этих наночастиц — например, о длинах волн света, на которые они реагируют, и о том, как лучше всего их сконструировать.В октябрьском выпуске журнала Advanced Optical Materials за 2017 год Чжэньпэн Цинь, доцент кафедры машиностроения и биоинженерии Техасского университета в Далласе, его команда и сотрудники из Реймского университета (д-р Яона Рандрианалисоа) сообщили о результатах. вычислительных исследований коллективных оптических свойств сложных плазмонных пузырьков.Они использовали суперкомпьютеры Stampede и Lonestar в Техасском центре передовых вычислений, а также системы в вычислительном центре ROMEO в Университете Реймса-Шампань-Арденны и суперкомпьютерном центре Сан-Диего (через среду Extreme Science and Engineering Discovery Environment) для выполнения больших задач. -масштабные виртуальные эксперименты с пораженными светом пузырьками.«Многие люди создают наночастицы и наблюдают за ними с помощью электронной микроскопии», — сказал Цинь. «Но вычисления дают нам уникальный взгляд на проблему.
Они обеспечивают лучшее понимание фундаментальных взаимодействий и понимание, чтобы мы могли лучше проектировать эти частицы для конкретных приложений».Поразительное биомедицинское золото
Наночастицы золота — один из многообещающих примеров плазмонного наноматериала. В отличие от обычных веществ, плазмонные наночастицы (обычно сделанные из благородных металлов) имеют необычные свойства рассеяния, поглощения и сцепления из-за их геометрии и электромагнитных характеристик.
Одним из следствий этого является то, что они сильно взаимодействуют со светом и могут нагреваться видимым и ультрафиолетовым светом даже на расстоянии, что приводит к структурным изменениям в частицах, от плавления до расширения и фрагментации.Липосомы, покрытые золотыми наночастицами — сферические мешочки, содержащие водянистую сердцевину, которую можно использовать для переноса лекарств или других веществ в ткани — были продемонстрированы как многообещающие агенты для высвобождения содержимого под действием света. Но эти наночастицы должны быть способны очищать организм через почечную систему, что ограничивает размер наночастиц до нескольких нанометров.
Конкретная форма наночастицы — например, насколько близко друг к другу находятся отдельные молекулы золота, насколько велико ядро, а также размер, форма, плотность и состояние поверхности наночастицы — определяет, как и насколько хорошо наночастица функции и как ими можно управлять.В последние годы Цинь обратил свое внимание на динамику кластеров небольших наночастиц золота с липосомными ядрами и их применения как в диагностической, так и в терапевтической областях.«Если мы поместим наночастицы вокруг нановезикулы, мы сможем использовать лазерный свет, чтобы открыть везикулу и высвободить интересующие молекулы», — пояснил он. «У нас есть возможность собрать различное количество частиц вокруг везикулы, покрывая везикулу слоем очень маленьких частиц.
Как мы можем спроектировать эту структуру? Это довольно интересная и сложная проблема. Как наночастицы взаимодействуют друг с другом — как далеко они друг от друга, сколько их? "Моделирование дает фундаментальные и практические идеиЧтобы понять, как работают плазмонные наночастицы и как их можно оптимально сконструировать, Цин и его коллеги используют компьютерное моделирование в дополнение к лабораторным экспериментам.
В своем недавнем исследовании Цинь и его команда смоделировали различные размеры ядер липосом, размеры покрытий наночастиц золота, широкий диапазон плотностей покрытий, а также случайные и однородные организации покрытий. Покрытия включают несколько сотен отдельных частиц золота, которые ведут себя коллективно.
«Моделировать одну частицу очень просто. Вы можете сделать это на обычном компьютере, но мы одни из первых, кто изучает сложную везикулу», — сказал Рандрианализоа. «Действительно интересно наблюдать, как агрегаты наночастиц, окружающие липидное ядро, коллективно изменяют оптический отклик системы».
Команда использовала метод вычисления дискретного дипольного приближения (DDA), чтобы сделать прогнозы характеристик оптического поглощения липосомных систем, покрытых золотом. DDA позволяет рассчитывать рассеяние излучения частицами произвольной формы и организации. Преимущество этого метода заключается в том, что он позволяет команде разрабатывать новые сложные формы и структуры и количественно определять, какими будут их оптические характеристики поглощения.Исследователи обнаружили, что наночастицы золота, составляющие внешнюю поверхность, должны быть достаточно близко друг к другу или даже перекрываться, чтобы поглощать достаточно света для эффективной системы доставки.
Они определили промежуточный диапазон оптических условий, называемый «режимом черного золота», когда плотно упакованные наночастицы золота реагируют на свет на всех длинах волн, что может быть очень полезно для ряда приложений.«Мы хотели бы разработать частицы, которые взаимодействуют со светом в ближнем инфракрасном диапазоне — с длинами волн от 700 до 900 нанометров — чтобы они имели более глубокое проникновение в ткань», — пояснил Цинь.Они ожидают, что это исследование предоставит рекомендации по проектированию для наноинженеров и окажет значительное влияние на дальнейшее развитие сложных плазмонных наноструктур и везикул для биомедицинских приложений.
(В отдельном исследовании, опубликованном в ACS Sensors в октябре 2017 года, Цинь и его сотрудники продемонстрировали эффективность наночастиц золота для анализов, обнаруживающих инфекционные заболевания и другие биологические и химические цели.)Вдохновленные недавними разработками в оптогенетике, которая использует свет для управления клетками (обычно нейронами) в живых тканях, Цинь и его команда планируют использовать эту технологию для разработки универсальной системы с оптическим запуском для проведения исследований активности и поведения мозга в реальном времени.Он надеется, что функция быстрого выпуска новой техники обеспечит достаточную скорость для изучения нейронной коммуникации в нейробиологических исследованиях.«Есть много возможностей для использования вычислений для понимания фундаментальных взаимодействий и механизмов, которые мы не можем измерить», — сказал Цинь. «Это может быть использовано в наших экспериментальных исследованиях, чтобы мы могли лучше продвигать эти различные методы, чтобы помочь людям».
Исследование было поддержано Техасским научно-исследовательским институтом профилактики рака (RP160770), Национальным научным фондом (ENG-1631910, ACI-1053575) и Исследовательским центром фосфолипидов (номер гранта: 1603574).Паническое бегство было поддержано наградами Национального научного фонда (ACI-1134872).