超级计算机探讨了药物递送等离子体纳米粒子的光学性质

研究人员探索等离子体纳米囊泡的光学特性

基于随机(A-D)的金涂层脂质体的几何特征和金纳米颗粒在芯表面上的均匀(E-H)布置。[荣誉:Jaaona兰德利安萨罗,秀英李,马德雷,振鹏秦]

想象一下,可以前往身体的特定位置,并在需要它的地方提供药物。这是等离子体纳米粒子的承诺。

这些分钟胶囊可以导航血液,并且当用快速脉冲激光脉冲时,改变形状以释放它们的内容物。然后可以退出身体,只留下所需的包装。

这种按需,轻触的抗触发药物释放方法可以转化医学,尤其是癌症的治疗。临床医生开始测试头部和颈部肿瘤上的等离子体纳米粒子。他们还可以帮助努力实时研究神经系统,并提供对大脑如何运作的洞察。

然而,就像纳米技术的许多方面一样,问题在于细节。这些纳米粒子的具体行为仍有许多未知之处——例如,它们响应的光的波长,以及如何最好地设计它们。

写在2017年10月期的先进光学材料、振鹏秦,机械工程和生物工程助理教授在德克萨斯大学达拉斯,他的团队,和合作者兰斯大学的博士(Jaona Randrianalisoa),计算结果的调查报道的集体光学性质复杂的电浆囊泡。

他们在德克萨斯高级计算中心使用踩踏事件和LONESTAR超级计算机,以及在Reims Champagne-Ardenne和San Diego Supercomputing Center(通过极端科学和工程发现环境)的San Diego Supercomputing Center(通过极端科学和工程发现环境)。- 光击囊泡的软化虚拟实验。

“很多人制造纳米粒子并使用电子显微镜观察它们,”秦说。“但这些计算为我们解决这个问题提供了一个独特的角度。它们提供了对基本交互作用的更好理解和见解,因此我们可以更好地为特定应用设计这些粒子。”

研究人员探讨了药物递送等离子体纳米粒子的光学性质

等离子体囊泡近场电增强的跨平面视图。图中显示的是在75纳米囊泡核附近的10纳米金纳米粒子。

引人注目的生物医学黄金

金纳米粒子是一种很有前途的等离子体纳米材料。与普通物质不同,电浆子纳米粒子(通常由贵金属制成)由于其几何形状和电磁特性而具有不同寻常的散射、吸光度和耦合特性。这样做的一个后果是,它们与光发生强烈的相互作用,即使在一定距离之外,它们也能被可见光和紫外线加热,导致粒子的结构变化,从熔化到膨胀再到碎裂。

金纳米粒子涂层脂质体 - 封闭可用于将药物或其他物质携带到组织中的水核的球形囊 - 已被证明是光诱导的含量释放的有前途的药剂。但是这些纳米颗粒需要能够通过肾脏系统清除身体,这将纳米颗粒的大小限制在少于少数纳米。

纳米粒子的特异性形状 - 例如,单个金分子的近距离靠近核心是多大的核心,以及纳米颗粒的尺寸,形状,密度和表面状况 - 确定如何,纳米粒子功能和如何操纵它。

近年来,秦先兴虑了他对脂质体核心的小金纳米粒子簇的动态,以及它们在诊断和治疗区域的应用。

“如果我们将纳米颗粒缠绕在纳米囊泡周围,我们可以使用激光弹出囊泡和释放感兴趣的分子,”他解释说明。“我们具有通过在非常小的颗粒层中涂覆囊泡来组装囊泡周围的不同数量的颗粒。我们如何设计这种结构?这是一个非常有趣和复杂的问题。纳米粒子如何互相互动 - 它们分开了多远,有多少?“

仿真提供了基本和实用的见解

为了进入等级纳米粒子的工作以及它们如何最佳地设计,QIN和同事使用计算机仿真以及实验室实验,可以获得洞察。

在他们最近的研究中,Qin和他的团队模拟了各种脂质体核心尺寸、金纳米颗粒涂层尺寸、广泛的涂层密度以及随机和均匀涂层组织。这些涂层包括几百个单独的金粒子,它们的行为是集体的。

“模拟一个粒子非常简单。你可以在普通的电脑上完成,但我们是第一批研究复杂囊泡的人之一。”Randrianalisoa说。“观察到围绕脂质核心的纳米粒子聚集体是如何共同改变系统的光学响应的,这真的很令人兴奋。”

该团队使用离散偶极近似(DDA)计算方法,以便预测金涂层脂质体系的光学吸收特征。DDA允许通过任意形状和组织粒子来计算辐射的散射。该方法具有允许团队设计新的复杂形状和结构并定量确定其光学吸收特征的优点。

研究人员发现,构成外表面的金纳米颗粒必须足够靠近,甚至重叠,以吸收足够的光线,使传输系统有效。他们发现了一种中等范围的光学条件,称为“黑金状态”,在这种状态下,紧密封装的金纳米颗粒对所有波长的光都有反应,这在一系列应用中非常有用。

“我们想开发与近红外范围中的光相互作用的颗粒 - 波长约为700至900纳米 - 因此它们具有更深的渗透到组织中,”秦说道。

他们预计本研究将为纳米工程师提供设计准则,并对复杂等离子体纳米结构和囊泡进行生物医学应用的囊泡产生重大影响。

[在2017年10月在ACS传感器的单独研究中,秦和合作者展示了金纳米颗粒的有效性,用于检测传染病和其他生物学和化学靶标的测定。]

受最近光遗传学的发展的启发,它利用光来控制活组织中的细胞(通常是神经元),秦和他的团队计划利用这项技术来开发一种多用途的光触发系统,来进行大脑活动和行为的实时研究。

他希望这项新技术的快速释放特性能够为神经科学研究中的神经元通讯提供足够的速度。

“有很多机会可以利用计算来理解我们无法测量的基本相互作用和机制,”秦说。“这可以反馈到我们的实验研究中,这样我们就可以更好地推进这些不同的技术来帮助人们。”

出版物:Jaaona Randrianalisoa等,“了解复杂等离子体囊泡的集体光学性质,”2017年高级光学材料“;DOI:10.1002 / ADOM.201700403

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