Ett nytt material med antifungala och antitumöregenskaper har utvecklats av forskare vid Center for Development of Functional Materials (CDMF), en av forskningen, Innovations- och spridningscentra (RIDC) stöds av São Paulo Research Foundation—FAPESP. CDMF är värd för Federal University of São Carlos (UFSCar) i São Paulo State, Brasilien.

Föreningen erhölls från ett prov av rent silvervolframat (a-Ag ₂ WO ₄ ) bestrålade med elektroner och laserljus i pulser som varar några femtosekunder. En femtosekund är en kvadrilliondels sekund, tidsskalan för kemiska reaktioner som involverar utbyte av elektroner mellan atomer och molekyler. Det nya materialet beskrivs i en artikel publicerad i Vetenskapliga rapporter .

Den växande användningen av halvledare har släppt lös utvecklingen av nya material med ett brett utbud av tekniska tillämpningar. En halvledarfamilj i synnerhet som har uppmärksammat forskare inom materialvetenskap är den av ternära volframoxider, såsom metalliska volframat.

Silver wolfram, som tillhör denna familj, är ett viktigt oorganiskt material med tillämpningar inom fotokatalys och fotoswitchar eller som ett alternativ till konventionella halvledare med bredbandsgap. Forskare anslutna till CDMF har undersökt silvervolframat i flera år.

"I ett experiment utfört 2018, där silvervolframat bestrålades med elektroner, vi observerade under ett elektronmikroskop utseendet av små "hår" som växte på molekyler av materialet. Dessa var inget annat än filament av nanopartiklar extraherade från silvervolframat genom elektronbestrålning, " sa Elson Longo, Professor emeritus vid UFSCars kemiavdelning och CDMF:s huvudutredare.

"Silver är ett kemiskt grundämne med bakteriedödande egenskaper. Silverwolframat har också dessa egenskaper, men det vi fann mest slående var att efter att ha modifierats av elektronbestrålning och silverfilamentkonstruktion, kompositen visade svampdödande aktivitet som var 32 gånger effektivare än före bestrålningen."

Den modifierade kompositens antifungala aktivitet verifierades i Candida albicans, svampen som orsakar candidiasis och trast. Forskarna odlade svampen i petriskålar. De visste redan den minsta mängd silver wolframat som krävs för att eliminera svampen och applicerade samma mängd av den modifierade kompositen på kulturen. Det observerade resultatet var liknande.

Forskarna halverade sedan volymen av ämnet och upprepade proceduren, återigen eliminera svampen. De upprepade proceduren 32 gånger totalt, alltid med tillfredsställande svampdödande resultat, vilket visar att den modifierade kompositens svampdödande egenskaper var 32 gånger mer kraftfulla än den ursprungliga silvervolframatet.

Kompositens antitumörverkan testades i blåscancerceller från mus, som exponerades i 24 timmar för olika koncentrationer (4,63 mikrogram per milliliter, 11,58 μg/ml, 23,16 μg/ml, och 46,31 μg/ml).

Enligt Longo, resultaten visade en signifikant minskning av cellviabiliteten. Det bästa resultatet erhölls med en koncentration på 11,58 μg/mL när blåscancercellernas livskraft sjönk med 80 %.

Efter att de visat kompositens antifungala och antitumöregenskaper, forskarna vid CDMF och UFSCar undersökte dess säkerhet för framtida användning hos mänskliga patienter.

Fyra koncentrationer av den bestrålade silvervolframatkompositen som låg över det optimala intervallet för fungicid aktivitet (3,9 μg/mL—31,2 μg/ml) studerades i en human gingival fibroblastcellinje.

Efter inkubation i 24 timmar, kompositens effekt på cellviabiliteten, proliferation och morfologi utvärderades genom kvantitativ fluorometrisk analys och svepelektronmikroskopi.

"Vi hittade ingen statistiskt signifikant förlust av cellviabilitet vid dessa koncentrationer jämfört med kontrollen, som visar att kompositen inte utgör någon risk för människors hälsa, sa Longo.

Våg-partikeldualitet

Studien uppnådde också den viktiga vetenskapliga milstolpen att demonstrera våg-partikeldualitet experimentellt. Våg-partikeldualiteten är en grundläggande egenskap hos materia som föreslogs 1924 av den franske fysikern Louis-Victor de Broglie (1892-1987), enligt vilka elektroner och andra diskreta bitar av materia, fram till dess endast anses vara materiella partiklar, kan också ha vågegenskaper, beroende på experimentet.

"1929, Nobelpriset i fysik tilldelades de Broglie för upptäckten att all materia kan ha vågegenskaper. Under de nio decennierna sedan, våg-partikeldualitet har observerats och bevisats i ett stort antal vetenskapliga experiment, men tills nu, ingen har demonstrerat det experimentellt med partikelstrålar [elektroner i detta fall] och vågstrålar [laser] för att erhålla identiska förändringar i sammansatta material, sa Longo.

"När vi insåg att elektronstrålning producerade silver nanopartikelfilament på silvervolframat, vi bestämde oss för att undersöka om samma resultat kunde uppnås genom att använda laserljus, därigenom experimentellt bevisa den våg-partikeldualitet som de Broglie föreslog för 95 år sedan."

Den vetenskapliga litteraturen pekar för närvarande på den växande användningen av femtosekundlaserstrålning i materialbearbetning som en teknik för att erhålla nya föreningar med mycket attraktiva egenskaper som kan driva tekniska framsteg.

"Under elektronbestrålningsprocessen, strukturell störning införs i silvervolframatelektronerna, och detta spelar en nyckelroll i kärnbildning och tillväxt av silverfilament, sa Longo.

I princip, segregering av silveratomer genom femtosekundlaserstrålning bör ske på liknande sätt men bör teoretiskt vara snabbare eftersom en femtosekundlaserpuls kan ge maximal effekt på mycket kort tid.

"Med tanke på den förväntade segregationshastigheten, därför, morfologin hos dessa silvernanopartiklar skulle teoretiskt sett vara annorlunda under elektronstråle och femtosekund laserstrålning, sa Longo.

De praktiska resultaten överensstämde exakt med teorin. När de utsätts för femtosekund laserstrålning, ytan på silverwolframatet var täckt med nanopartikelfilament av silver.

"Genom att göra det här, vi lyckades få exakt samma resultat som med elektronstrålning, demonstrera våg-partikeldualitet i praktiken, sa Longo.