"Håriga" nanopartiklar gjorda av ljuskänsliga material som sätter ihop sig själva kan en dag bli "nano-bärare" som ger läkare ett nytt sätt att samtidigt introducera både terapeutiska läkemedel och cancerbekämpande värme i tumörer. Det är en potentiell applikation för en ny teknik som kombinerar vattenavvisande men ändå ljuskänsliga och vattenabsorberande material till polymera nano-reaktorer för att skapa fotokänsliga guldnanopartiklar.

Ljus med specifika våglängder får nanopartiklarna att monteras och demonteras vid behov, möjliggör den dynamiska organisationen av nanopartiklarna för smart frisättning av läkemedel in vitro. Genom att inkludera kemoterapimolekyler i nanopartikelstrukturerna när de sätts ihop, molekylerna kunde dras in i tumörer – och sedan frigöras med applicering av ett ljus på en kortare våglängd som utlöser demontering genom fotoklyvning.

Förutom en sådan dynamisk självmontering och demontering, inkapsling och frisättning av kemoterapimolekyler kan också uppnås genom reversibel kovalent bindning av anticancerläkemedel till de polymera "håren" som finns på ytan av nanopartiklar. Och genom att absorbera samma ljus som utlöser läkemedelsfrisättningen, guldnanopartiklarna kan också värma cancercellerna, ger en dubbel stans.

I ett brett spektrum av andra applikationer, processen för självmontering av nanopartiklar kan också utlösas av miljöfaktorer inklusive temperatur, pH eller lösningsmedelspolaritet genom att rationellt utforma polymerhåren. I den här studien, guld nanopartiklar användes, men processen kan också göra självmonterade nanopartiklar av en mängd olika metaller och metalloxider. Genom att skräddarsy ytan på nanopartiklar med vattenabsorberande polymerer som innehåller nära-infraröd-känsliga komponenter, läkemedelsfrisättningen kunde utföras in vivo.

De sfäriska guldnanopartiklarna kan ersättas med mer komplext formade nanopartiklar – som ihåliga nanopartiklar, nanorods, eller nanorör – för att ge en bättre absorption av nära-infrarött ljus för att penetrera biologiska vävnader. Inga tester av dessa nanopartiklar har hittills gjorts i levande celler eller organismer.

Forskningen stöddes av Air Force Office of Scientific Research och National Science Foundation, och rapporterades 31 januari i den tidiga upplagan av tidskriften Proceedings of the National Academy of Sciences . Materialforskare från Georgia Institute of Technology och South China University of Technology var medförfattare till uppsatsen.

"Vi föreställer oss att dessa fotokänsliga, polymertäckta guldnanopartiklar en dag skulle kunna fungera som nanobärare för läkemedelstillförsel till kroppen med hjälp av vår robusta och reversibla process för montering och demontering, sade Zhiqun Lin, professor vid Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Används i cancerterapi, denna process kan öka effekten av en behandling genom att värma upp cancercellerna samtidigt som läkemedelsföreningen introduceras i tumören."

Under ljus, sammansättningarna av fotokänsliga nanopartiklar separeras under en period av timmar med en hastighet som kan styras av ljusets intensitet och våglängd. "Eftersom demonteringen kan slås på och av efter behag, vi skulle kunna tillhandahålla en tidsinställd frisättning av läkemedlet genom att kontrollera ljusexponeringen med kort våglängd, " tillade Lin.

De håriga nanopartiklarna tillverkas runt en liten kärna av beta-cyklodextrin från vilken polymerkedjor av poly(akrylsyra)-block-poly(7-metylakryloyloxi-4-metylkumarin) (PAA-b-PMAMC) odlas. Det materialet drar till sig vattenlösliga metallprekursorer, som använder utrymmet i polymerhåren som nano-reaktorer för att bilda guld-nanopartiklar.

Till dessa inre strukturer – som är hydrofila PAA-polymerer – lägger forskarna hårstrån gjorda av den hydrofoba monomeren MAMC. Dessa material är känsliga för ljus, och få nanopartiklarna att självmontera genom en fotodimeriseringsprocess – tvärbindning – när de utsätts för ljus vid en våglängd av 365 nanometer.

Monteringsprocessen kan på ett tillförlitligt sätt vändas på begäran med en kortare våglängd på 254 nanometer.

"När polymerkedjorna från intilliggande guldnanopartiklar börjar fototvärbindas, de sammanför nanopartiklar via en självmonteringsprocess för att generera stora samlingar av nanopartiklar, ", sa Lin. "Denna process är helt reversibel och kan upprepas i många cykler."

Forskargruppen inkorporerade färgämnesmolekyler i de självmonterade nanopartiklarna för att simulera vad som kan göras för att införliva och sedan släppa kemoterapimedel. Ett magnetiskt oxidmaterial som är inkorporerat i nanopartiklarna kan tillåta att sammansättningarna riktas till en tumörplats av en extern magnet, och kan också stödja diagnostisk bildbehandling.

Utöver läkemedlens aktivitet, de plasmoniska effekterna av guldnanopartiklarna kan värma nanopartiklarna när de utsätts för ljus, attackera cancercellerna via en andra väg.

Förutom de potentiella medicinska användningarna, självmonteringstekniken kan ha tillämpningar inom optik, optoelektronik, magnetisk teknik, avkänning av material och enheter, katalys och nanoteknik. Tekniken kan också leda till ny grundforskning inom kristallisationskinetik, genom att använda självmonteringsprocessen för att skapa "konstgjorda kristaller" som hålls samman av polymerkedjor.

Lins labb har arbetat med de amfifila stjärnformade blockpolymererna i flera år, lägga till nya funktioner och utforska nya möjligheter för nanopartikelsystemen.

"Vårt arbete ger en designstrategi som tillåter manipulering av både det yttre blocket och det inre blocket av en stjärnformad blocksampolymer, " sa han. "Vårt grundläggande bidrag i detta arbete är att med omtanke förbereda en stjärnformad blocksampolymer där det inre blocket har förmågan att koordinera med metallprekursorer medan det yttre blocket tillåter fotokänsliga material att interagera, vilket i sin tur gör framställningen av fotokänsliga guldnanopartiklar för ljusaktiverad reversibel och pålitlig självmontering."