Ett internationellt forskarlag har studerat ett nytt system för cellvisualisering och läkemedelsleverans baserat på nanopartiklar belagda med självlysande färgämnesmolekyler. Partikelmaterialet och avståndet mellan färgämnet och partikelns yta påverkar intensiteten av den luminiscerande signalen. Kiselnanopartiklar belagda med färgämnesmolekyler är mer effektiva än liknande partiklar gjorda av guld. Tack vare deras biokompatibilitet, kiselpartiklar kan användas för cellvisualisering och läkemedelstillförsel. Forskningen publicerades i Vetenskapliga rapporter .
Luminescerande färgämnen används i stor utsträckning inom biologisk och medicinsk forskning på grund av deras höga känslighet och låga toxicitet. Nanopartiklar som används för läkemedelstillförsel är ofta belagda med sådana färgämnen. Detta gör det möjligt för forskare att spåra sin väg i det intracellulära utrymmet. Intensiteten hos den luminescerande signalen beror på partikelmaterialet och avståndet mellan färgämnet och partikelns yta. Forskare från ITMO:s fakultet för fysik och teknik har tillsammans med kollegor från Tyskland och Sverige studerat flera konfigurationer av olika nanopartiklar belagda med självlysande färgämnesmolekyler och identifierat de mest effektiva.
Forskare syntetiserade och studerade tre typer av nanopartiklar. Icke-resonanta yttriumvanadatpartiklar (YVO4) användes som kontrollprov. Sådana partiklar påverkar inte intensiteten hos färgämnesmolekyler. Guld- och kiselpartiklar av samma storlek belagda med färgämnesmolekyler placerade på olika avstånd från ytan jämfördes med kontrollprovet.
Modellering och experiment har visat att bindning av färgämne till kiselpartiklar kan förbättra fotoluminescensen hos färgämnet upp till tre gånger jämfört med guldpartiklar. "En sådan förbättring beror på Mie-resonanser i kiselpartiklar. Det är viktigt att notera att resonansvåglängderna beror på partiklarnas storlek. På grund av det höga brytningsindexet, Mie-resonansen hos sfäriska kiselpartiklar på cirka hundra nanometer i storlek sträcker sig in i den synliga delen av spektrumet. Således, resonanta kiselpartiklar tillåter oss att accelerera spontan emission och förstärka färgämnessignalen på ytan, säger Sergei Makarov, chef för ITMO:s Laboratory of Hybrid Nanophotonics and Optoelectronics.
Luminescenssignalen avtar på guldpartikelns yta. Det är därför färgämnet bör placeras på avstånd från sådana partiklar. Att göra så, forskare måste använda kemiska metoder, vilket kan vara komplicerat och kostsamt. Dessa ytterligare steg kan undvikas genom att använda kiselpartiklar som förstärker den luminiscerande signalen direkt på ytan. Förutom, forskningen har visat att kiselpartiklar belagda med självlysande molekyler kan absorberas av cancerceller.
"Vi tycker att kisel är ett mycket lovande material, speciellt för biomedicin. Studie av läkemedelstillförsel och bioavbildningsmetoder är ett mycket snabbt växande område vid ITMO University. Till exempel, vi arbetar för närvarande på ett leveranssystem baserat på ihåliga kiseldioxidpartiklar. Tack vare teamet av forskare från fakulteten för fysik och teknik, vårt universitet vinner gradvis erkännande inom området optik och läkemedelsleveranssystem, " säger Mikhail Zyuzin, en forskarassistent vid fakulteten för fysik och teknik. I framtiden, dessa system kan användas inte bara för att visualisera intracellulära strukturer, men också att leverera olika ämnen, från droger till genetiska agens, till celler.
