I gamla lägriga filmer, Lucretia Borgia svanar runt och tömmer pulver från hennes ring i vinglas som slarvigt lämnas utan uppsikt. Giftringen är vanligtvis en konfektion av guldfiligran som innehar en cabochon eller fasetterad ädelsten som kan brytas för att tömma ringens innehåll. Det är alltid enormt - så stort att det är ganska udda att ingen verkar märka det.

Lucretia skulle ha gett henne ögonen för den "smarta kapseln" som utformades i Younan Xia laboratorium vid Washington University i St. Louis. En liten bur av guld täckt med en smart polymer, det reagerar på ljus, öppnar för att tömma innehållet, och förseglar igen när lampan är släckt. Oändligt mer listig och diskret än Lucretias ring, nanocagen är för liten för att ses - utom indirekt:miljarder ändrar färg på vätska i ett provrör.

Ingen Lucretia, Xia är en helande snarare än en förgiftare. Den smarta nanocagen är utformad för att fyllas med ett medicinskt ämne, såsom ett kemoterapimedicin eller baktericid. Frigör noggrant titrerade mängder av ett läkemedel endast nära vävnaden som är läkemedlets avsedda mål, detta leveranssystem kommer att maximera läkemedlets fördelaktiga effekter samtidigt som dess biverkningar minimeras.

Metoden för att göra kapslarna och tester av deras prestanda dök upp online den 1 november, 2009, som en del av tidningens förskottsprogram online Naturmaterial .

Det första steget i att göra en smart kapsel är att blanda ihop ett parti silver nanokuber. Små enkristallbitar av silver kan göras genom att tillsätta silvernitrat (AgNO ₃ ) till en lösning som donerar elektroner till silverjonerna, låta dem fälla ut som fast silver. Tillsatsen av en annan kemikalie uppmuntrar silveratomerna att avsättas på vissa delar av en frökristall snarare än andra, locka fröna till att bilda skarpa kanter snarare än missformade klumpar.

Ett andra steg klipper av alla åtta hörnen från kuberna.

De klippta silverbitarna fungerar sedan som "offermallar, "på vilken guldburarna tar form. När silver -nanokuberna värms upp i kloroaurinsyra (HAuCl ₄ ), guldjonerna i syran stjäl elektroner från silveratomerna i kuberna. Silvret löser sig och guldet fälls ut.

Ett guldhud bildas på silverbitar när kuberna är ihåliga utifrån. Silveratomerna kommer in i lösningen genom porer som bildas i kubernas klippta hörn.

"Men den riktigt coola delen, "säger Xia, "och den coola delen av nanoteknik i allmänhet, är att de små guldburarna har mycket olika egenskaper än bulkguld. "I synnerhet de reagerar olika på ljus.

Fysikern Michael Faraday var den första som insåg att en suspension av guldpartiklar lyste rubinröd eftersom partiklarna var extremt små. "Hans ursprungliga prov av en guldkolloid finns fortfarande på Faraday Museum i London, "säger Xia, Ph.D., James M. McKelvey -professorn vid Institutionen för biomedicinsk teknik. "Är det inte fantastiskt? Det är över 150 år senare och det finns det fortfarande."

Färgen orsakas av en fysisk effekt som kallas ytplasmonresonans. Några av elektronerna i guldpartiklarna är inte förankrade till enskilda atomer utan bildar istället en fritt flytande elektrongas. Ljus som faller på dessa elektroner kan få dem att svänga som en. Denna kollektiva svängning, ytplasmon, väljer en viss våglängd, eller färg, ur infallsljuset, och det här är färgen vi ser.

Det starka svaret vid en viss våglängd, kallas resonans, är det som får en fiolsträng att vibrera vid en viss tonhöjd eller låter ett barn pumpa en gunga högt på himlen genom att sparka i precis rätt ögonblick.

Vad mer, ytplasmonresonansen är avstämbar i ungefär samma mening som en fiol är avstämbar.

"Faraday använde fasta partiklar för att göra hans kolloid, "kommenterar Xia." Du kan ställa in resonansvåglängden genom att ändra partiklarnas storlek, men bara inom snäva gränser. Du kan inte nå de våglängder vi vill ha. "

De våglängder han vill ha är de där mänsklig vävnad är relativt transparent, så att burar i blodomloppet kan öppnas av laserljus som lyser på huden.

Färgen på nanocages kan ställas in över ett större område än fasta partiklar genom att ändra tjockleken på burarnas väggar, säger Xia. När mer guld deponeras och skalen tjocknar, en suspension av nanocages skiftar från rött, till lila, till ljusblå, till mörkblå, till våglängderna i det nära-infraröda.

Xia team vill träffa ett smalt fönster av vävnadstransparens som ligger mellan 750 och 900 nanometer, i det nära-infraröda. Detta fönster gränsar på ena sidan av våglängder som starkt absorberas av blod och på den andra av de som absorberas starkt av vatten.

Ljus i denna söta fläck kan tränga ner så djupt som flera centimeter i kroppen.

"Folk brukade göra en demonstration vid samtal, "Säger Xia, skrattande. "De skulle sätta en röd diodlaser i munnen, och publiken kunde se det utifrån, eftersom diodens våglängd är 780 nanometer, en våglängd vid vilken köttet är ganska transparent. "

Här blir det ännu svårare och ännu mer fantastiskt. Resonansen har faktiskt två delar. Vid resonansfrekvensen, ljus kan spridas från burarna, absorberas av dem, eller en kombination av dessa två processer.

Precis som de kan justera ytplasmonresonansen, forskarna kan justera hur mycket energi som absorberas snarare än spridda genom att manipulera storleken och porositeten på nanokagen.

Xia illustrerar skillnaden mellan spridning och absorption med en underbar romersk artefakt, Lycurgus Cup från 400-talet. Koppen ser jadegrön utifrån men blir rosa när den tänds från insidan.

Modern analys visar att det gamla glaset innehåller nanopartiklar av en silver-guldlegering som sprider ljuset starkt vid en våglängd i den gröna delen av spektrumet. När koppen tänds inifrån, dock, det gröna ljuset absorberas, och vi ser det återstående ljuset, som övervägande är röd, komplementfärgen till grön.

Det är faktiskt absorptionskomponenten som forskarna utnyttjar för att öppna och stänga nanocages. När ljuset absorberas omvandlas det till värme, och nanocages är täckta med en speciell polymer som reagerar på värme på ett intressant sätt.

Polymeren, poly (N-isopropylakrylamid), och dess derivat har en så kallad kritisk temperatur. När den når denna temperatur genomgår den en transformation som kallas en fasförändring.

Om temperaturen är lägre än den kritiska temperaturen, polymerkedjorna är vattenälskande och sticker ut från buren som penslar. Borstarna tätar burens porer och förhindrar att lasten läcker ut. Om temperaturen är över den kritiska temperaturen, å andra sidan, polymerkedjorna undviker vatten, krympa ihop och kollapsa. När de krymper, burens porer öppnas, och dess innehåll flödar ut.

"Det är lite kontraintuitivt, "säger Xia." Vanligtvis när du går till högre temperatur, en molekyl kommer att expandera, men den här gör tvärtom. "

Liksom allt annat om detta system, polymeren är avstämbar. Forskarna kan kontrollera dess kritiska temperatur genom att ändra dess sammansättning. För medicinska tillämpningar, de ställer in den kritiska temperaturen till en precis över kroppstemperaturen (37 grader Celsius) men långt under 42 grader Celsius (107 grader Fahrenheit), temperaturen vid vilken värme skulle börja döda celler.

Därefter kommer den roliga delen. När de hade gjort sina smarta kapslar, forskarna testade dem genom att ladda dem med ett ljust rött färgämne som kallas alazarin crimson, eller rosgalenare. Färgämnet gjorde det enkelt att upptäcka och mäta eventuella utsläpp med en spektrometer.

Burarna laddades genom att skaka dem i en lösning av färgämnet vid en temperatur över den kritiska temperaturen hos den smarta polymeren. Nästa, de doppades i ett isbad för att trigga polymeren att stänga porerna och fånga färgämnet inuti burarna. Burarna öppnades sedan igen genom att bada dem i ljuset av en nära-infraröd laser. Absorberat ljus värmde guldburarna över den kritiska temperaturen och framkallade polymerens fasförändring. Polymeren kollapsade, burarnas porer exponerades, och färgämnet rann ut.

Därefter laddade laget kapslar med doxorubicin, ett vanligt läkemedel mot kemoterapi och utlöser läkemedlets frisättning med en laser, dödade bröstcancerceller som växer i brunnar på en plastplatta.

Och slutligen, de laddade kapslarna med ett enzym som öppnar cellväggarna av bakterier och använde dem för att döda en bakterie som är en normal del av flora i våra munnar och halsar.

Lucretia, släng dig i väggen.

Källa:Washington University i St. Louis (nyheter:webb)