Innan den enorma potentialen hos små nanobärare för mycket riktad läkemedelsleverans och miljösanering kan realiseras, forskare måste först kunna se dem.

För närvarande måste forskare förlita sig på att fästa fluorescerande färgämnen eller tungmetaller för att märka delar av organiska nanobärarstrukturer för undersökning, ändrar dem ofta i processen. En ny teknik som använder kemiskt känsliga "mjuka" röntgenstrålar erbjuder en enklare, ett icke-störande sätt att få insikt i denna nanovärld.

I en studie publicerad av Naturkommunikation , ett forskarlag demonstrerar förmågan hos röntgenmetoden på en smart nanopartikel för läkemedelstillförsel och en nanostruktur av polytvål avsedd att fånga upp råolja som spills ut i havet.

"Vi har utvecklat en ny teknik för att titta på nanobärarens inre struktur, kemi och miljöbeteende utan någon märkning alls – en ny förmåga som hittills inte har varit möjlig, sa Brian Collins, en fysiker från Washington State University och motsvarande författare om studien. "För närvarande, du behöver fluorescerande taggar för att se inuti nanobärare, men detta kan ändra deras struktur och beteende, speciellt om de är gjorda av kolbaserade material. Med denna nya teknik, vi har kunnat titta inuti dessa nanobärare, analysera deras kemiska identiteter och koncentrationer – och gör allt detta i sitt helt naturliga tillstånd, inklusive deras vattenmiljö."

Organiska nanobärare som används för läkemedelsleverans skapas ofta av kolbaserade molekyler, som antingen älskar eller avskyr vatten. Dessa så kallade hydrofila och hydrofoba molekyler är sammanbundna och kommer att självmontera i vatten med den vattenhatande delen som gömmer sig inuti ett skal av de vattenälskande segmenten.

Hydrofoba droger kommer också att sätta sig in i strukturen, som är utformad för att öppna upp och släppa läkemedlet endast i den sjuka miljön. Till exempel, nanobärarteknologi har potential att tillåta kemoterapi som bara dödar cancerceller utan att göra patienten sjuk, möjliggör effektivare doser.

Även om nanobärare kan skapas på detta sätt, forskare kan inte lätt se detaljerna i deras strukturer eller ens hur mycket drog som stannar inuti eller läcker ut. Användningen av fluorescerande etiketter kan framhäva delar av nanobärare – till och med få dem att blinka – men de förändrar också bärarna i processen, ibland betydligt.

Istället, tekniken som Collins och hans kollegor har utvecklat använder sig av mjuka resonansröntgenstrålar för att analysera nanobärarna. Mjuk röntgenstrålning är en speciell typ av ljus som ligger mellan ultraviolett ljus och hård röntgenstrålning, som är den typ som läkare använder för att se ett brutet ben. Dessa speciella röntgenstrålar absorberas av nästan allt, inklusive luften, så den nya tekniken kräver en högvakuummiljö.

Collins team anpassade en mjuk röntgenmetod för att undersöka utskrivbara, kolbaserad, plastelektronik, så att det skulle fungera på dessa vattenbaserade organiska nanobärare – penetrera en tunn skiva vatten för att göra det.

Varje kemisk bindning absorberar en annan våglängd eller färg av mjuka röntgenstrålar, så för denna studie, forskare valde röntgenfärger för att belysa olika delar av en smart nanobärare för medicin genom sina unika bindningar.

"Vi justerade i huvudsak röntgenfärgen för att skilja mellan de bindningar som redan finns i molekylen, sa Collins.

Detta gjorde det möjligt för dem att utvärdera hur mycket och vilken typ av material som fanns i dess inre kärna, storleken och vattenhalten i det omgivande nanoskalet samt hur nanobäraren reagerade på en föränderlig miljö.

De använde också den mjuka röntgentekniken för att undersöka en nanobärare av polytvål som utvecklades för att fånga upp råolja som spillts i havet. Polytvålar kan skapa en nanobärare från en enda molekyl, maximera deras yta för att fånga upp kolväten som de som finns i ett oljeutsläpp. Med den nya tekniken, forskarna upptäckte att den öppna svampliknande strukturen hos en polytvål kan bestå från höga till låga koncentrationer, vilket kommer att göra det mer effektivt i verkliga tillämpningar.

"Det är viktigt för forskare att kunna undersöka alla dessa strukturer på nära håll, så att de kan undvika kostsamma försök och misstag, sa Collins.

Denna teknik bör göra det möjligt för forskare att bedöma beteendet hos dessa strukturer i olika miljöer, sa Collins. Till exempel, för smart läkemedelstillförsel, det kan vara olika temperaturer, pH-nivåer och stimuli i kroppen, och forskare vill veta om nanostrukturerna håller ihop tills förutsättningarna är de rätta för att applicera läkemedlet. Om de kan fastställa detta tidigt i utvecklingsprocessen, de kan vara mer säkra på att nanobärarna kommer att fungera innan de investerar i tidskrävande medicinska studier.

"Vi föreställer oss att denna nya teknik kommer att möjliggöra ett mycket snabbare tempo och högre precision i design och utveckling av dessa spännande nya teknologier, sa Collins.