Hvordan man producerer fluorescerende nanopartikler til medicinske anvendelser i en atomreaktor

Under ledelse af Petr Cígler fra Institut for Organisk Kemi og Biokemi (IOCB Prag) og Martin Hrubý fra Institut for Makromolekylær Kemi (IMC), et team af forskere har udviklet en revolutionerende metode til nem og billig produktion af bestrålede nanodiamanter og andre nanomaterialer, der er egnede til brug i meget følsom diagnostik af sygdomme, herunder forskellige former for kræft. Deres artikel blev for nylig offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Naturkommunikation .

Diagnosticering af sygdomme og forståelse af de processer, der finder sted i celler på molekylært niveau, kræver følsomme og selektive diagnostiske instrumenter. I dag, forskere kan overvåge magnetiske og elektriske felter i celler med en opløsning på flere dusin nanometer og med bemærkelsesværdig følsomhed takket være krystaldefekter i partiklerne i visse uorganiske materialer. Nanodiamanter er et næsten ideelt materiale til disse formål. Sammenlignet med de diamanter, der bruges i smykker, nanodiamanter er cirka 1 million gange mindre og fremstilles syntetisk af grafit ved højt tryk og temperaturer.

En ren nanodiamant afslører ikke meget om sit miljø. Først, dets krystalgitter skal beskadiges under kontrollerede forhold for at skabe specielle defekter, såkaldte nitrogen-fritidscentre, som muliggør optisk billeddannelse. Skaden opstår oftest ved at bestråle nanodiamanter med hurtige ioner i partikelacceleratorer. Disse accelererede ioner er i stand til at slå kulstofatomer ud af krystalgitteret på en nanodiamant, efterlader huller kendt som ledige stillinger, som ved høje temperaturer parrer sig med nitrogenatomer, der er til stede i krystallen som forurenende stoffer. De nydannede nitrogen-fritidscentre er en kilde til observerbar fluorescens, hvilket giver nanodiamanter et stort potentiale for anvendelser inden for medicin og teknologi.

En grundlæggende begrænsning for brugen af ​​disse materialer i en bredere skala, imidlertid, er de store omkostninger og ringe effektivitet ved at bestråle ioner i en accelerator, hvilket forhindrer genereringen af ​​dette usædvanligt værdifulde materiale i større mængder.

Forskerne ledet af Petr Cígler og Martin Hrubý har for nylig offentliggjort en artikel i tidsskriftet Naturkommunikation beskriver en helt ny metode til bestråling af nanokrystaller. I stedet for dyr og tidskrævende bestråling i en accelerator, videnskabsmændene udnyttede bestråling i en atomreaktor, hvilket er meget hurtigere og langt billigere.

Forskerne måtte bruge et trick - i reaktoren, neutronbestråling spalter boratomer i meget lette og hurtige ioner af helium og lithium. Nanokrystallerne skal først dispergeres i smeltet boroxid og derefter udsættes for neutronbestråling i en atomreaktor. Neutronfangst af borkerner producerer en tæt byge af helium og lithiumioner, som har samme effekt i nanokrystallerne som ionerne produceret i en accelerator:den kontrollerede skabelse af krystaldefekter. Den høje tæthed af denne partikelbruser og brugen af ​​en reaktor til at bestråle en meget større mængde materiale betyder, at det er nemmere og langt mere overkommeligt at producere dusinvis af gram sjældent nanomateriale på én gang, hvilket er cirka 1000 gange mere end forskerne hidtil har kunnet opnå gennem sammenlignelig bestråling i acceleratorer.

Metoden har vist sig at være vellykket ikke kun i skabelsen af ​​defekter i gitteret af nanodiamanter, men også af et andet nanomateriale - siliciumcarbid. Af denne grund, forskere mener, at metoden kan finde universel anvendelse i storskalaproduktion af nanopartikler med definerede defekter.

Den nye metode anvender princippet anvendt i boron neutron capture therapy (BNCT), hvor patienter får indgivet en borforbindelse. Når forbindelsen har samlet sig i tumoren, patienten modtager strålebehandling med neutroner, som spalter borkernerne i ioner af helium og lithium. Disse ødelægger derefter tumorcellerne, hvori boret har samlet sig. Dette princip hentet fra eksperimentel kræftbehandling har således åbnet døren til effektiv produktion af nanomaterialer med exceptionelt potentiale til anvendelse i, blandt andre områder, kræftdiagnostik.