Elementär kartläggning av placeringen av järnatomer (blå) i de magnetiska nanopartiklarna och kadmium (röd) i de fluorescerande kvantprickarna ger en tydlig visualisering av hur de två typerna av partiklar naturligt separerar sig i en kärna-och-skal-struktur.
Ett länge eftersträvat mål att skapa partiklar som kan avge ett färgstarkt fluorescerande sken i en biologisk miljö, och som skulle kunna manipuleras exakt till position i levande celler, har uppnåtts av ett team av forskare vid MIT och flera andra institutioner. Fyndet rapporteras denna vecka i tidskriften Naturkommunikation .
Den nya tekniken skulle kunna göra det möjligt att spåra nanopartiklarnas position när de rör sig i kroppen eller inuti en cell. På samma gång, nanopartiklarna kunde manipuleras exakt genom att applicera ett magnetfält för att dra dem med. Och slutligen, partiklarna kan ha en beläggning av en bioreaktiv substans som kan söka upp och binda till särskilda molekyler i kroppen, såsom markörer för tumörceller eller andra sjukdomsmedel.
"Det har varit en dröm för mig i många år att ha ett nanomaterial som innehåller både fluorescens och magnetism i ett enda kompakt föremål, " säger Moungi Bawendi, Lester Wolfe professor i kemi vid MIT och senior författare till den nya artikeln. Medan andra grupper har uppnått en kombination av dessa två egenskaper, Bawendi säger att han "aldrig var särskilt nöjd" med resultat som tidigare uppnåtts av hans eget team eller andra.
För en sak, han säger, sådana partiklar har varit för stora för att göra praktiska sonder av levande vävnad:"De har tenderat att ha en hel del bortkastad volym, "Bawendi säger. "Kompaktheten är avgörande för biologiska och många andra tillämpningar."
Dessutom, tidigare ansträngningar var oförmögna att producera partiklar av enhetlig och förutsägbar storlek, som också kan vara en väsentlig egenskap för diagnostiska eller terapeutiska tillämpningar.
Dessutom, Bawendi säger, "Vi ville kunna manipulera dessa strukturer inuti cellerna med magnetfält, men vet också exakt vad det är vi flyttar." Alla dessa mål uppnås av de nya nanopartiklarna, som kan identifieras med stor precision genom våglängden på deras fluorescerande emissioner.
Den nya metoden ger kombinationen av önskade egenskaper "i en så liten förpackning som möjligt, " Bawendi säger - vilket kan hjälpa till att bana väg för partiklar med andra användbara egenskaper, såsom förmågan att binda till en specifik typ av bioreceptor, eller en annan molekyl av intresse.
I den teknik som utvecklats av Bawendis team, ledd av huvudförfattaren och postdoc Ou Chen, nanopartiklarna kristalliserar så att de självmonterar sig på exakt det sätt som leder till det mest användbara resultatet:De magnetiska partiklarna samlas i centrum, medan fluorescerande partiklar bildar en enhetlig beläggning runt dem. Det placerar de fluorescerande molekylerna på den mest synliga platsen för att tillåta nanopartiklarna att spåras optiskt genom ett mikroskop.
"Det här är vackra strukturer, de är så rena, " säger Bawendi. Den enhetligheten uppstår, till viss del, eftersom utgångsmaterialet, fluorescerande nanopartiklar som Bawendi och hans grupp har fulländat i flera år, är själva helt enhetliga i storlek. "Man måste använda mycket enhetligt material för att producera en sådan enhetlig konstruktion, " säger Chen.
Initialt, åtminstone, partiklarna kan användas för att undersöka grundläggande biologiska funktioner i celler, Bawendi föreslår. När arbetet fortsätter, senare experiment kan lägga till ytterligare material till partiklarnas beläggning så att de interagerar på specifika sätt med molekyler eller strukturer i cellen, antingen för diagnos eller behandling.
Förmågan att manipulera partiklarna med elektromagneter är nyckeln till att använda dem i biologisk forskning, Bawendi förklarar:De små partiklarna skulle annars kunna gå vilse i virrvarret av molekyler som cirkulerar i en cell. "Utan ett magnetiskt handtag, "det är som en nål i en höstack, " säger han. "Men med magnetismen, du kan hitta det lätt."
TEM-bilder med ökande upplösning visar strukturen av kärn-skal supernanopartiklar som utvecklats av forskarna. Fluorescerande kvantprickar (QDs) bildar ett skal runt en kärna av magnetiska nanopartiklar (MNP).
En kiseldioxidbeläggning på partiklarna gör att ytterligare molekyler kan fästa, vilket får partiklarna att binda med specifika strukturer i cellen. "Kisel gör den helt flexibel; det är ett välutvecklat material som kan binda till nästan vad som helst, säger Bawendi.
Till exempel, beläggningen kan ha en molekyl som binder till en specifik typ av tumörceller; sedan, "Du kan använda dem för att förbättra kontrasten på en MRT, så att du kunde se de rumsliga makroskopiska konturerna av en tumör, " han säger.
Högupplöst bild av strukturen av en supernanopartikel med en kärna och skal.
Nästa steg för teamet är att testa de nya nanopartiklarna i en mängd olika biologiska miljöer. "Vi har gjort materialet, " säger Chen. "Nu måste vi använda den, och vi arbetar med ett antal grupper runt om i världen för en mängd olika tillämpningar."
Christopher Murray, en professor i kemi och materialvetenskap och teknik vid University of Pennsylvania som inte var kopplad till denna forskning, säger, "Detta arbete exemplifierar kraften i att använda nanokristaller som byggstenar för flerskaliga och multifunktionella strukturer. Vi använder ofta termen "konstgjorda atomer" i samhället för att beskriva hur vi utnyttjar ett nytt periodiskt system med grundläggande byggstenar för att designa material, och det här är ett mycket elegant exempel."
Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.
