Forsker udvikler optisk sporbart smart 2-D nanoark, der reagerer på pH

Nanopartikler har potentialet til at revolutionere den medicinske industri, men de skal have nogle få kritiske egenskaber. Først, de skal målrette mod en bestemt region, så de ikke spredes i hele kroppen. De kræver også en form for sansemetode, så læger og forskere kan spore partiklerne. Endelig, de skal udføre deres funktion på det rigtige tidspunkt, ideelt set som reaktion på en stimulus.

Nanoparticles by Design Unit ved Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University forsøger at udvikle nye partikler med hidtil usete egenskaber, der stadig opfylder disse krav. For nylig, Dr. Jeong-Hwan Kim tog et skridt frem, da han eksperimenterede med en ny type nanomateriale:nanoarket. Specifikt, han designede en stærk, stabil, og optisk sporbart smart 2D-materiale, der reagerer på pH, eller surheden eller basiciteten af ​​dets omgivende miljø. American Chemical Society offentliggjorde hans resultater den 12. august, 2014, i deres dagbog, Anvendte materialer og grænseflader .

Nanoplader er usædvanlige blandt nanoteknologi, fordi de ikke nøjagtigt passer til nanoskala. De plader, som Kim producerede, er kun et par nanometer tykke, tynd nok til at opnå "nano"-præfikset. Men deres længde og bredde kan måles i mikron, nogle gange med overfladearealer, der kan måles i centimeter; meget større end typiske nanostrukturer. Nanoarks struktur giver dem mulighed for at ændre form, fra en flad overflade til en rulle. Desværre, de fleste nanoark ruller og ruller ud spontant. Hvis forskere kan designe et nanoark til at ændre form som reaktion på en stimulus, de kan bruge det til en række nye applikationer.

Kim forsøgte at tilføje forskellige polymerer til sine nanoark for at få dem til at reagere. Til dette eksperiment, han inkorporerede en relativt simpel polymer, der reagerer på pH. Han fandt ud af, at det resulterende nanoark altid ville krølle i grundlæggende, høje pH-forhold, og altid flad i surt, lave pH-forhold. Kim fik også sine nanoark til at reagere på nær-infrarødt lys, en bølgelængde af lys, der er uskadelig for mennesker. Afhængigt af formen på nanoarket, den nær-infrarøde stråling hopper tilbage med en anden bølgelængde. På denne måde Kim kan non-invasivt spore nanoarkene, selvom han ikke kan se dem. Ved at bruge disse optiske egenskaber til at karakterisere nanoarkene, Kim besluttede, at han kunne tilnærme pH.

Kim forestiller sig, at biomedicinske ingeniører pakker lægemidler ind i rullede nanoark, så når arket ruller ud, det frigiver medicinen. PH responsive nanoark, for eksempel, kunne vise sig nyttig til at målrette mod forskellige dele af den menneskelige fordøjelseskanal, som ændrer pH mellem den sure mave og basiske tarme. Alligevel er dette kun begyndelsen; at skabe et responsivt nanoark er blot et spørgsmål om at tilføje den rigtige polymer. "Et nanoark er som pizzadej, " sagde Kim. "Uanset hvad du kan lide at putte på det - en topping, to toppings, hvad som helst - du kan." Et nanoark med en varmefølsom polymer kunne brænde omkringliggende tumorer for at ødelægge dem, fungerer som en slags superspecifik kemoterapi. "Det er nemt at få nanoarkene til kræftcellerne, " forklarer Kim. Målretning af specifikke væv er simpelthen et spørgsmål om at tilføje den passende biomarkør, så kroppen sender nanoarket, hvor det hører hjemme.

"Fordelen ved rulningen betyder, at dette nanoark kan fange mange markører eller stoffer sikkert inde i kroppen, " sagde Kim. Ved at indkapsle et farligt stof, såsom et kræftbehandlingsmiddel, ind i et nanoark, læger kan angribe meget specifikke dele af kroppen. Dette ville reducere mængden af ​​det nødvendige lægemiddel og minimere bivirkninger. "Der er tonsvis af smarte polymerer og metaller, " sagde Kim, forklarer de mange egenskaber, han håber at inkorporere i nanoteknologi. "Denne nye struktur er sammensat, hvilket betyder, at det giver os mulighed for at blande alle forskellige slags komponenter." Kim skal bare bygge det rigtige nanoark til hvert formål.