Tänk dig ett mikroskopiskt guldpiller som kan resa till en specifik plats i din kropp och leverera ett läkemedel precis där det behövs. Detta är löfte för plasmoniska nanovesiklar.

Dessa minutkapslar kan navigera i blodomloppet, och, när den träffas med en snabb puls av laserljus, ändra form för att släppa innehållet. Den kan sedan lämna kroppen, lämnar bara önskat paket.

Detta på begäran, ljusutlöst metod för frisättning av läkemedel kan omvandla medicin, särskilt behandling av cancer. Kliniker börjar testa plasmoniska nanovesiklar på tumörer i huvud och hals. De kan också hjälpa ansträngningar att studera nervsystemet i realtid och ge insikter om hur hjärnan fungerar.

Dock, som många aspekter av nanoteknik, djävulen är i detaljerna. Mycket är fortfarande okänt om det specifika beteendet hos dessa nanopartiklar - till exempel ljusets våglängder och hur de bäst konstrueras.

Skriver i oktober 2017 -numret av Avancerade optiska material , Zhenpeng Qin, en biträdande professor i maskinteknik och bioingenjör vid University of Texas i Dallas, hans lag, och medarbetare från University of Reims (Dr. Jaona Randrianalisoa), rapporterade resultaten av beräkningsundersökningar av de kollektiva optiska egenskaperna hos komplexa plasmoniska vesiklar.

De använde Stampede och Lonestar superdatorer vid Texas Advanced Computing Center, liksom system vid ROMEO Computing Center vid University of Reims Champagne-Ardenne och San Diego Supercomputing Center (genom Extreme Science and Engineering Discovery Environment) för att utföra storskaliga virtuella experiment av ljusslagna vesiklar.

"Många människor gör nanopartiklar och observerar dem med hjälp av elektronmikroskopi, "Sade Qin." Men beräkningarna ger oss en unik vinkel på problemet. De ger en förbättrad förståelse av de grundläggande interaktionerna och insikterna så att vi bättre kan designa dessa partiklar för specifika applikationer. "

Slående biomedicinskt guld

Guldnanopartiklar är ett lovande exempel på ett plasmoniskt nanomaterial. Till skillnad från normala ämnen, plasmoniska nanopartiklar (vanligtvis tillverkade av ädelmetaller) har ovanlig spridning, absorbans, och kopplingsegenskaper på grund av deras geometrier och elektromagnetiska egenskaper. En konsekvens av detta är att de interagerar starkt med ljus och kan värmas upp av synligt och ultraviolett ljus, även på avstånd, som leder till strukturella förändringar i partiklarna, från smältning till expansion till fragmentering.

Guld nanopartikelbelagda liposomer-sfäriska säckar som omsluter en vattnig kärna som kan användas för att transportera läkemedel eller andra ämnen in i vävnaderna-har visats vara lovande medel för ljusinducerad innehållsfrisättning. Men dessa nanopartiklar måste kunna rensa kroppen genom njursystemet, vilket begränsar nanopartiklarnas storlek till mindre än några nanometer.

Nanopartikelns specifika form - till exempel hur nära varandra de enskilda guldmolekylerna är, hur stor kärnan är, och storleken, form, täthet och ytförhållanden för nanopartikeln - avgör hur, och hur bra, nanopartikelfunktionerna och hur den kan manipuleras.

Qin har de senaste åren riktat sin uppmärksamhet mot dynamiken i kluster av små guldnanopartiklar med liposomkärnor, och deras tillämpningar inom både diagnostiska och terapeutiska områden.

"Om vi ​​lägger nanopartiklarna runt en nanovesikel, vi kan använda laserljus för att öppna blåsan och släppa intressemolekyler, "förklarade han." Vi har förmågan att montera ett annat antal partiklar runt en vesikel genom att belägga blåsan i ett lager av mycket små partiklar. Hur kan vi utforma denna struktur? Det är ett ganska intressant och komplext problem. Hur interagerar nanopartiklarna med varandra - hur långt är de från varandra, Hur många finns det?"

Simuleringar ger grundläggande och praktiska insikter

För att få insikt i hur plasmoniska nanopartiklar fungerar och hur de kan utformas optimalt, Qin och kollegor använder datorsimulering utöver laboratorieexperiment.

I deras senaste studie, Qin och hans team simulerade olika liposomkärnstorlekar, guld nanopartikel beläggning storlekar, ett brett spektrum av beläggningstätheter, och slumpmässiga kontra enhetliga beläggningsorganisationer. Beläggningarna innehåller flera hundra individuella guldpartiklar, som beter sig kollektivt.

"Det är väldigt enkelt att simulera en partikel. Du kan göra det på en vanlig dator, men vi är en av de första som tittar på en komplex vesikel, "Randrianalisoa sa." Det är verkligen spännande att observera hur aggregat av nanopartiklar som omger lipidkärnan kollektivt förändrar systemets optiska svar. "

Teamet använde beräkningsmetoden för diskret approximering av dipolen (DDA) för att kunna förutsäga de optiska absorptionsegenskaperna hos de guldbelagda liposomsystemen. DDA tillåter en att beräkna spridning av strålning av partiklar med godtycklig form och organisation. Metoden har fördelen att teamet kan utforma nya komplexa former och strukturer och kvantitativt bestämma vad deras optiska absorptionsegenskaper kommer att vara.

Forskarna fann att guldnanopartiklarna som utgör den yttre ytan måste vara tillräckligt nära varandra, eller till och med överlappande, att absorbera tillräckligt med ljus för att leveranssystemet ska vara effektivt. De identifierade ett mellanliggande antal optiska förhållanden som kallas "svartguldregimen, "där de tätt packade guldnanopartiklarna svarar på ljus i alla våglängder, vilket kan vara mycket användbart för en rad applikationer.

"Vi skulle vilja utveckla partiklar som interagerar med ljus inom det nära infraröda området - med våglängder på cirka 700 till 900 nanometer - så att de har en djupare penetration i vävnaden, "Förklarade Qin.

De räknar med att denna studie kommer att ge designriktlinjer för nanotekniker och kommer att ha en betydande inverkan på den vidare utvecklingen av komplexa plasmoniska nanostrukturer och vesiklar för biomedicinska tillämpningar.

(I en separat studie publicerad i ACS Sensors i oktober 2017, Qin och medarbetare visade effektiviteten hos guldnanopartiklar för analyser som upptäcker infektionssjukdomar och andra biologiska och kemiska mål.)

Inspirerad av den senaste utvecklingen inom optogenetik, som använder ljus för att styra celler (vanligtvis neuroner) i levande vävnader, Qin och hans team planerar att använda tekniken för att utveckla ett mångsidigt optiskt utlöst system för att utföra realtidsstudier av hjärnaktivitet och beteende.

Han hoppas att funktionen för snabbfrisättning i den nya tekniken kommer att ge tillräcklig hastighet för att studera neuronal kommunikation inom neurovetenskaplig forskning.

"Det finns många möjligheter att använda beräkningar för att förstå grundläggande interaktioner och mekanismer som vi inte kan mäta, "Sade Qin." Det kan ge tillbaka till vår experimentella forskning så att vi bättre kan avancera dessa olika tekniker för att hjälpa människor. "