Siliciumvarmer og termometer i nanostørrelse kombineret for at bekæmpe kræft

Russiske fysikere fra ITMO University har opdaget, at sfæriske siliciumnanopartikler effektivt kan opvarmes og samtidig udsende lys afhængigt af deres temperatur. Ifølge forskerne, disse egenskaber, kombineret med god biokompatibilitet, har applikationer inden for fototermisk terapi og nanokirurgi. Forskerne planlægger i fremtiden at kontrollere opvarmningen af ​​siliciumpartiklerne for internt at forbrænde kræftceller uden at påvirke sundt væv. Resultaterne blev vist i det prestigefyldte tidsskrift Nano bogstaver .

Når du udfører fototermisk terapi og nanokirurgi, læger injicerer nanopartikler af biokompatible metaller såsom guld i en menneskekrop, koncentrere dem om en tumor og bestråle dem med en laser. Biologiske væv er gennemsigtige for infrarødt lys, men metal nanopartikler absorberer det godt og omdanner det til varme, der forbrænder kræftceller. Imidlertid, at måle en lokal temperatur på guldnanopartikler er en ekstremt vanskelig opgave, hvis det ikke gøres ordentligt, kan føre til overophedning og beskadigelse af sundt væv.

I den nye undersøgelse, resonans silicium nanopartikler opvarmes endnu hurtigere end guld nanopartikler på grund af bedre resonansegenskaber og kan signalere deres temperatur ved at sprede lys med forskellige bølgelængder. Denne effekt er kendt i optik som Raman-spredning. I øvrigt, denne spredning kan registreres uden komplekse enheder eller vakuumsystemer, der er nødvendige for at opfange signaler fra metaller.

"Guld nanopartikler er meget brugt i fototermisk terapi, fotokemi og nanokirurgi. Men den optiske reaktion fra sådanne midler giver ikke information om, hvor meget de opvarmes, fordi metaller aldrig genudsender Raman-lyssignalet. Det var også kendt, at silicium har en optisk respons, der ændrer sig kraftigt med temperaturen. Men ingen forestillede sig, at en siliciumnanopartikel kunne bruges som en effektiv varmelegeme, selvom det har væsentligt lavere optiske tab end guld, " siger George Zograf, kandidatstuderende ved Institut for Nano-Fotonik og Metamaterialer ved ITMO University.

Velvidende, at siliciums optiske respons afhænger stærkt af temperaturen, og at det er biokompatibelt, forskerne testede, hvor effektivt nanopartiklerne varmes op, og hvor nøjagtigt temperaturen kunne måles. Forskerne hævede temperaturen på siliciumnanopartikler ved at belyse dem med en laser og optage det udsendte Raman-signal, som muliggjorde samtidig temperaturdetektion.

I mellemtiden i modsætning til de gyldne nanosfærer, de testede siliciumpartikler var fire gange mere effektive til at omdanne laserstråling til varme. Dette ville gøre det muligt at ændre nanopartiklernes temperatur ved hjælp af en mindre kraftig laserstråle uden at opvarme nærliggende sundt væv.

Forskerne mener, at halvledernanopartiklerne kan være et billigere og mere sikkert alternativ til metal. "I fremtiden, man vil være i stand til at dræbe kræftceller med høj præcision ved at opvarme dem ved hjælp af sådanne nanosystemer. Den optiske styring af deres temperatur i realtid vil forhindre raske celler i ukontrolleret overophedning, " slutter Sergey Makarov, seniorforsker ved Institut for Nanofotonik og Metamaterialer ved ITMO University.