Under ledning av Petr Cígler från Institute of Organic Chemistry and Biochemistry (IOCB Prag) och Martin Hrubý från Institute of Macromolecular Chemistry (IMC), ett team av forskare har utvecklat en revolutionerande metod för enkel och billig produktion av bestrålade nanodiamanter och andra nanomaterial lämpliga för användning i högkänslig diagnostik av sjukdomar, inklusive olika typer av cancer. Deras artikel publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Naturkommunikation .

Att diagnostisera sjukdomar och förstå de processer som äger rum inom celler på molekylär nivå kräver känsliga och selektiva diagnostiska instrument. I dag, forskare kan övervaka magnetiska och elektriska fält i celler med en upplösning på flera dussin nanometer och med anmärkningsvärd känslighet tack vare kristalldefekter i partiklarna i vissa oorganiska material. Nanodiamanter är ett nästan idealiskt material för dessa ändamål. Jämfört med diamanter som används i smycken, nanodiamanter är cirka 1 miljon gånger mindre och tillverkas syntetiskt av grafit vid högt tryck och temperaturer.

En ren nanodiamant avslöjar inte mycket om sin miljö. Först, dess kristallgitter måste skadas under kontrollerade förhållanden för att skapa speciella defekter, så kallade kvävevakanscentra, som möjliggör optisk bildbehandling. Skadan skapas oftast genom att bestråla nanodiamanter med snabba joner i partikelacceleratorer. Dessa accelererade joner kan slå ut kolatomer ur kristallgittret på en nanodiamant, lämnar efter sig hål som kallas lediga platser, som vid höga temperaturer parar sig med kväveatomer som finns i kristallen som föroreningar. De nybildade kvävevakanscentra är en källa till observerbar fluorescens, vilket ger nanodiamanter stor potential för tillämpningar inom medicin och teknik.

En grundläggande begränsning för användningen av dessa material i en bredare skala, dock, är den stora kostnaden och den dåliga effektiviteten för att bestråla joner i en accelerator, vilket förhindrar genereringen av detta exceptionellt värdefulla material i större kvantiteter.

Forskarna ledda av Petr Cígler och Martin Hrubý publicerade nyligen en artikel i tidskriften Naturkommunikation beskriver en helt ny metod för att bestråla nanokristaller. I stället för kostsam och tidskrävande bestrålning i en accelerator, forskarna utnyttjade bestrålning i en kärnreaktor, vilket är mycket snabbare och mycket billigare.

Forskarna var tvungna att använda ett trick - i reaktorn, neutronbestrålning delar upp boratomer till mycket lätta och snabba joner av helium och litium. Nanokristallerna måste först dispergeras i smält boroxid och sedan utsättas för neutronbestrålning i en kärnreaktor. Neutronfångning av borkärnor ger en tät skur av helium- och litiumjoner, som har samma effekt inuti nanokristallerna som de joner som produceras i en accelerator:det kontrollerade skapandet av kristalldefekter. Den höga densiteten hos denna partikeldusch och användningen av en reaktor för att bestråla en mycket större mängd material gör att det är lättare och mycket billigare att producera dussintals gram sällsynt nanomaterial på en gång, vilket är ungefär 1000 gånger mer än vad forskare hittills har kunnat få fram genom jämförbar bestrålning i acceleratorer.

Metoden har visat sig vara framgångsrik inte bara för att skapa defekter i gitter av nanodiamanter, men också av ett annat nanomaterial — kiselkarbid. Av denna anledning, forskare tror att metoden kan hitta universell tillämpning i storskalig produktion av nanopartiklar med definierade defekter.

Den nya metoden använder principen som tillämpas i borneutroninfångningsterapi (BNCT), i vilka patienter administreras en borförening. När föreningen har samlats i tumören, patienten får strålbehandling med neutroner, som delar upp borkärnorna i joner av helium och litium. Dessa förstör sedan tumörcellerna där boret har samlats. Denna princip hämtad från experimentell cancerbehandling har alltså öppnat dörren till effektiv produktion av nanomaterial med exceptionell potential för tillämpningar i, bland andra områden, cancerdiagnostik.