Nanoshell - Nanoshell
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Una nanocapa , o más bien un plasmón de nanocapa , es un tipo de nanopartícula esférica que consta de un núcleo dieléctrico que está cubierto por una fina capa metálica (generalmente de oro ). Estas nanocapas involucran una cuasipartícula llamada plasmón que es una excitación colectiva u oscilación de plasma cuántico donde los electrones oscilan simultáneamente con respecto a todos los iones.
La oscilación simultánea se puede llamar hibridación de plasmón donde la sintonización de la oscilación se asocia con la mezcla de la capa interior y exterior donde se hibridan para dar una energía más baja o más alta. Esta energía más baja se acopla fuertemente a la luz incidente, mientras que la energía más alta es un anti-enlace y se combina débilmente con la luz incidente. La interacción de hibridación es más fuerte para capas de caparazón más delgadas, por lo tanto, el grosor de la capa y el radio total de las partículas determinan con qué longitud de onda de luz se acopla. Las nanocapas se pueden variar en una amplia gama del espectro de luz que abarca las regiones visible e infrarroja cercana. La interacción de la luz y las nanopartículas afecta la ubicación de las cargas, lo que afecta la fuerza de acoplamiento. La luz incidente polarizada en paralelo al sustrato da una polarización s (Figura 1b), por lo tanto, las cargas están más lejos de la superficie del sustrato, lo que proporciona una interacción más fuerte entre la cubierta y el núcleo. De lo contrario, se forma una polarización p que da una energía de plasmón más fuertemente desplazada, lo que provoca una interacción y un acoplamiento más débiles.
Descubrimiento
El descubrimiento de la nanoconcha fue realizado por la profesora Naomi J. Halas y su equipo en la Universidad de Rice en 2003. Cuando ella y su equipo descubrieron las nanoconchas, inicialmente no estaban seguros del potencial que tenían tales nanoconchas. "Dijimos, 'Caramba, ¿para qué podría ser bueno?'", Dijo Halas a CNN. Después de muchas sugerencias, la terapia del cáncer surgió de colaboraciones continuas con bioingenieros que buscaban diferentes tipos de aplicaciones biomédicas. "Una de nuestras visiones", afirmó Halas, "nada menos que el diagnóstico y tratamiento del cáncer en una sola visita". En 2003, Halas fue galardonado con el premio al Mejor Descubrimiento de 2003 por Nanotechnology Now .
Producción
Un método de vanguardia para sintetizar nanocapas de oro es el uso de espumas compuestas de microfluidos. Este método tiene el potencial de reemplazar el método litográfico estándar de sintetizar nanocapas plasmónicas. El proceso de producción que se describe a continuación fue un experimento realizado por Suhanya Duraiswamy y Saif A. Khan del Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular de Singapur. Aunque este método fue un experimento, representa el futuro de la síntesis de nanocapas.
Los materiales necesarios para la producción de las nanocapas son los siguientes; Ortosilicato de tetraetilo, hidróxido de amonio, clorhidrato de hidroxilamina, 3-aminopropil tris, hidrogentetracloroaurato (III) trihidrato, cloruro de tetrakis (hidroximetil) fosfonio, hidróxido de sodio, carbonato de potasio, etanol, agua ultrapura y cristalería lavada en agua regia y enjuagada con agua.)
El primer paso para sintetizar nanocapas en este método es crear el dispositivo para que la reacción tenga lugar en su interior. Los patrones de dispositivos de microfluidos se fabricaron sobre obleas de silicio mediante fotolitografía estándar usando fotorresistencia negativa SU-8 2050. Posteriormente, los dispositivos se moldearon en poli (dimetilsiloxano) (PDMS) utilizando la técnica de litografía blanda. 8 maestros a 70 ° C durante 4 h, pelados, cortados y limpios. Se perforaron orificios de entrada y salida (1/16 de pulgada de diámetro exterior) en el dispositivo. Los microcanales se unieron de forma irreversible a un portaobjetos de vidrio prerrecubierto con una fina capa de PDMS después de un breve tratamiento con plasma de aire de 35 s. Los microcanales tienen una sección transversal rectangular y miden 300 μm de ancho, 155 μm de profundidad y 0,45 m de largo.
La producción real de las nanopartículas implica bombear "aceite de silicona, una mezcla de partículas de sílice sembradas de oro y una solución de baño de oro y una solución de agente reductor al dispositivo de microfluidos mientras se suministra gas nitrógeno desde un cilindro". A continuación, la solución de recubrimiento se dejó envejecer, en un entorno controlado, durante más de 24 horas. Después del proceso de envejecimiento, el fluido se recoge del dispositivo microfluídico y se coloca en una centrífuga. El líquido resultante tiene una capa de aceite en la superficie con una solución debajo que contiene las nanocapas.
La razón por la que este método es revolucionario es que el tamaño y el grosor relativo de la nanocapa de oro se pueden controlar cambiando la cantidad de tiempo que se permite que tenga lugar la reacción, así como la concentración de la solución de enchapado. De este modo, los investigadores pueden adaptar las partículas a sus necesidades específicas. Aunque sea para óptica o para el tratamiento del cáncer.
Tratamiento para el cáncer
Las nanopartículas con caparazón de oro, que son nanopartículas esféricas con núcleos de sílice y / o liposomas y conchas de oro, se utilizan en la terapia del cáncer y la mejora de la bioimagen. Las sondas teranósticas , capaces de detectar y tratar el cáncer en un solo tratamiento, son nanopartículas que tienen sitios de unión en su caparazón que les permiten adherirse a una ubicación deseada (generalmente células cancerosas) y luego se pueden obtener imágenes a través de imágenes de modalidad dual (una estrategia de imagen que utiliza rayos X e imágenes de radionúclidos ) y mediante fluorescencia del infrarrojo cercano. La razón por la que se utilizan nanopartículas de oro se debe a sus vívidas propiedades ópticas que están controladas por su tamaño, geometría y plasmones de superficie. Las nanopartículas de oro (como las AuNP) tienen el beneficio de ser biocompatibles y la flexibilidad de tener múltiples moléculas diferentes y materiales fundamentales adheridos a su caparazón (casi cualquier cosa que normalmente se pueda unir al oro se puede unir a la nanocapa de oro, que se puede utilizar para ayudar a identificar y tratar el cáncer). El tratamiento del cáncer solo es posible debido a la dispersión y absorción que se produce en los plasmónicos . Con la dispersión, las nanopartículas chapadas en oro se vuelven visibles para los procesos de formación de imágenes que se ajustan a la longitud de onda correcta, que depende del tamaño y la geometría de las partículas. Bajo absorción, se produce la ablación fototérmica , que calienta las nanopartículas y su entorno inmediato a temperaturas capaces de matar las células cancerosas. Esto se logra con un daño mínimo a las células del cuerpo debido a la utilización de la "ventana de agua" (el rango espectral entre 800 y 1300 nm). Como el cuerpo humano es principalmente agua, esto optimiza la luz utilizada frente a los efectos generados.
Estas nanocapas de oro se transportan a los tumores mediante el uso de la fagocitosis , donde los fagocitos envuelven las nanocapas a través de la membrana celular para formar un fagosoma interno o macrófago . Después de esto, se transporta a una célula y , por lo general, se utilizan enzimas para metabolizarlo y devolverlo fuera de la célula. Estas nanocapas no se metabolizan, por lo que para que sean efectivas solo necesitan estar dentro de las células tumorales y se usa la muerte celular fotoinducida (como se describe anteriormente) para terminar las células tumorales. Este esquema se muestra en la Figura 2.
Las terapias basadas en nanopartículas se han administrado con éxito en los tumores mediante la explotación del efecto mejorado de permeabilidad y retención, una propiedad que permite que las estructuras a nanoescala se incorporen pasivamente a los tumores sin la ayuda de anticuerpos. [4] El suministro de nanoconchas en las regiones importantes de los tumores puede ser muy difícil. Aquí es donde la mayoría de las nanocapas intentan explotar el reclutamiento natural de monocitos del tumor para la liberación, como se ve en la figura anterior. Este sistema de entrega se llama "Caballo de Troya".
Este proceso funciona muy bien ya que los tumores son aproximadamente ¾ macrófagos y una vez que los monocitos ingresan al tumor, se diferencian en macrófagos que también serían necesarios para mantener las nanopartículas de carga . Una vez que las nanocapas están en el centro necrótico, se utiliza iluminación de infrarrojo cercano para destruir los macrófagos asociados al tumor.
Además, estas nanopartículas pueden fabricarse para liberar oligonucleótidos de ADN antisentido cuando están bajo fotoactivación. Estos oligonucleótidos se utilizan junto con los tratamientos de ablación fototérmica para realizar la terapia génica. Esto se logra porque los complejos de nanopartículas se administran dentro de las células y luego se someten a la liberación de ADN inducida por la luz de su superficie. Esto permitirá la manipulación interna de una célula y proporcionará un medio para monitorear el retorno de un grupo de células al equilibrio.
Otro ejemplo de plasmónicos de nanocapas en el tratamiento del cáncer implica colocar medicamentos dentro de la nanopartícula y usarla como vehículo para administrar medicamentos tóxicos solo en sitios cancerosos. Esto se logra recubriendo el exterior de una nanopartícula con óxido de hierro (lo que permite un fácil seguimiento con una máquina de resonancia magnética ), luego, una vez que el área del tumor está cubierta con las nanopartículas llenas de fármaco, las nanopartículas se pueden activar usando ondas de luz resonantes para liberar la droga.