Ryska fysiker från ITMO University har upptäckt att sfäriska kiselnanopartiklar effektivt kan värmas upp och samtidigt avge ljus beroende på deras temperatur. Enligt forskarna, dessa egenskaper, i kombination med god biokompatibilitet, har tillämpningar inom fototermisk terapi och nanokirurgi. Forskarna planerar att kontrollera uppvärmningen av kiselpartiklarna i framtiden för att internt bränna cancerceller utan att påverka frisk vävnad. Resultaten publicerades i den prestigefyllda tidskriften Nanobokstäver .

När du utför fototermisk terapi och nanokirurgi, läkare injicerar nanopartiklar av biokompatibla metaller som guld i en människokropp, koncentrera dem på en tumör och bestråla dem med en laser. Biologiska vävnader är transparenta för infrarött ljus, men metallnanopartiklar absorberar det väl och omvandlar det till värme som bränner cancerceller. Dock, att mäta en lokal temperatur på guldnanopartiklar är en extremt svår uppgift som, om det inte görs ordentligt, kan leda till överhettning och skada på frisk vävnad.

I den nya studien, resonant kisel nanopartiklar värms upp ännu snabbare än guld nanopartiklar på grund av bättre resonansegenskaper och kan signalera sin temperatur genom att sprida ljus med olika våglängder. Denna effekt är känd inom optik som Raman-spridning. Dessutom, denna spridning kan registreras utan komplexa enheter eller vakuumsystem som krävs för att fånga upp signaler från metaller.

"Guldnanopartiklar används ofta i fototermisk terapi, fotokemi och nanokirurgi. Men det optiska svaret från sådana medel ger inte information om hur mycket de värms upp, eftersom metaller aldrig återutsänder Raman-ljussignalen. Det var också känt att kisel har ett optiskt svar som kraftigt förändras med temperaturen. Men ingen föreställde sig att en nanopartikel av kisel kunde användas som en effektiv värmare, även om det har betydligt lägre optiska förluster än guld, "säger George Zograf, doktorand vid institutionen för nanofotonik och metamaterial vid ITMO University.

Att veta att det optiska svaret av kisel starkt beror på temperaturen och att det är biokompatibelt, forskarna testade hur effektivt nanopartiklarna värms upp och hur exakt temperaturen kunde mätas. Forskarna höjde temperaturen på kiselnanopartiklar genom att belysa dem med en laser och registrera den utsända Raman-signalen, som möjliggjorde samtidig temperaturdetektering.

Under tiden, i motsats till de gyllene nanosfärerna, de testade kiselpartiklarna var fyra gånger effektivare för att omvandla laserstrålning till värme. Detta skulle göra det möjligt att ändra nanopartiklarnas temperatur med en mindre kraftfull laserstråle utan att värma upp närliggande frisk vävnad.

Forskarna tror att halvledarnanopartiklarna kan vara ett billigare och säkrare alternativ till metall. "I framtiden, man kommer att kunna döda cancerceller med hög precision genom att värma dem med hjälp av sådana nanosystem. Den optiska kontrollen i realtid av deras temperatur kommer att förhindra friska celler från okontrollerad överhettning, "avslutar Sergey Makarov, senior forskare vid Institutionen för nanofotonik och metamaterial vid ITMO University.