Nanopartikler får et magnetisk håndtag

Et længe søgt mål om at skabe partikler, der kan udsende en farverig fluorescerende glød i et biologisk miljø, og det kunne manipuleres præcist i position i levende celler, er opnået af et team af forskere ved MIT og flere andre institutioner. Fundet er rapporteret i denne uge i tidsskriftet Naturkommunikation .

Den nye teknologi kan gøre det muligt at spore nanopartiklernes position, når de bevæger sig inde i kroppen eller inde i en celle. På samme tid, nanopartiklerne kunne manipuleres præcist ved at anvende et magnetfelt for at trække dem med. Og endelig, partiklerne kunne have en belægning af et bioreaktivt stof, der kunne søge og binde sig til bestemte molekyler i kroppen, såsom markører for tumorceller eller andre sygdomsmidler.

"Det har været en drøm for mig i mange år at have et nanomateriale, der inkorporerer både fluorescens og magnetisme i et enkelt kompakt objekt, " siger Moungi Bawendi, Lester Wolfe professor i kemi ved MIT og seniorforfatter af det nye papir. Mens andre grupper har opnået en kombination af disse to egenskaber, Bawendi siger, at han "aldrig har været særlig tilfreds" med resultater, som hans eget hold eller andre tidligere har opnået.

For én ting, han siger, sådanne partikler har været for store til at lave praktiske sonder af levende væv:"De har haft en tendens til at have en masse spildt volumen, " siger Bawendi. "Kompakthed er afgørende for biologiske og mange andre anvendelser."

Ud over, tidligere bestræbelser var ude af stand til at producere partikler af ensartet og forudsigelig størrelse, som også kunne være en væsentlig egenskab til diagnostiske eller terapeutiske anvendelser.

I øvrigt, Bawendi siger, "Vi ønskede at være i stand til at manipulere disse strukturer inde i cellerne med magnetiske felter, men ved også præcis, hvad det er, vi flytter." Alle disse mål opnås af de nye nanopartikler, som kan identificeres med stor præcision ved bølgelængden af ​​deres fluorescerende emissioner.

Den nye metode producerer kombinationen af ​​ønskede egenskaber "i så lille en pakke som muligt, " siger Bawendi - hvilket kunne hjælpe med at bane vejen for partikler med andre nyttige egenskaber, såsom evnen til at binde sig til en bestemt type bioreceptor, eller et andet molekyle af interesse.

I teknikken udviklet af Bawendis team, ledet af hovedforfatter og postdoc Ou Chen, nanopartiklerne krystalliserer, så de selv samler sig på præcis den måde, der fører til det mest nyttige resultat:De magnetiske partikler klynger sig i midten, mens fluorescerende partikler danner en ensartet belægning omkring dem. Det placerer de fluorescerende molekyler på det mest synlige sted, så nanopartiklerne kan spores optisk gennem et mikroskop.

"Det er smukke strukturer, de er så rene, " siger Bawendi. Den ensartethed opstår, delvis, fordi udgangsmaterialet, fluorescerende nanopartikler, som Bawendi og hans gruppe har perfektioneret i årevis, er selv fuldstændig ensartede i størrelse. "Man skal bruge meget ensartet materiale for at producere sådan en ensartet konstruktion, " siger Chen.

I første omgang, i det mindste, partiklerne kan bruges til at undersøge grundlæggende biologiske funktioner i celler, Bawendi foreslår. Mens arbejdet fortsætter, senere eksperimenter kan tilføje yderligere materialer til partiklernes belægning, så de interagerer på specifikke måder med molekyler eller strukturer i cellen, enten til diagnose eller behandling.

Evnen til at manipulere partiklerne med elektromagneter er nøglen til at bruge dem i biologisk forskning, Bawendi forklarer:De små partikler kunne ellers gå tabt i det virvar af molekyler, der cirkulerer i en celle. "Uden et magnetisk håndtag, 'det er som en nål i en høstak, " siger han. "Men med magnetismen, du kan nemt finde det."

En silicabelægning på partiklerne tillader yderligere molekyler at vedhæfte, får partiklerne til at binde sig til specifikke strukturer i cellen. "Silica gør det fuldstændig fleksibelt; det er et veludviklet materiale, der kan binde til næsten alt, " siger Bawendi.

For eksempel, belægningen kunne have et molekyle, der binder til en specifik type tumorceller; derefter, "Du kan bruge dem til at forbedre kontrasten på en MR, så du kunne se de rumlige makroskopiske konturer af en tumor, " han siger.

Det næste skridt for holdet er at teste de nye nanopartikler i en række biologiske omgivelser. "Vi har lavet materialet, " siger Chen. "Nu skal vi bruge det, og vi arbejder med en række grupper rundt om i verden for en række forskellige applikationer."

Christopher Murray, en professor i kemi og materialevidenskab og teknik ved University of Pennsylvania, som ikke var forbundet med denne forskning, siger, "Dette arbejde eksemplificerer kraften i at bruge nanokrystaller som byggesten til multiskala og multifunktionelle strukturer. Vi bruger ofte udtrykket 'kunstige atomer' i samfundet til at beskrive, hvordan vi udnytter et nyt periodisk system af grundlæggende byggesten til at designe materialer, og dette er et meget elegant eksempel."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.