I gruppi di ricerca NIMS MANA e un gruppo di ricerca dell'Università di Nagoya hanno sviluppato congiuntamente un materiale fluorescente al silicio che ha una tossicità molto bassa e un'elevata efficienza di luminescenza, rispetto ai materiali convenzionali. Sotto radiazione nel vicino infrarosso (NIR) a lunghezze d'onda da 650 a 1, 000 nm - la gamma nota come "finestra ottica biologica" - che è in grado di attraversare i sistemi viventi, il gruppo congiunto è riuscito a eseguire il bioimaging utilizzando questo nuovo materiale.

Un gruppo di ricerca del NIMS International Center for Materials Nanoarchitectonics (MANA), guidato dal Principal Investigator del MANA Françoise Winnik, un ricercatore postdoc del MANA Sourov Chandra, un gruppo di ricerca guidato dallo scienziato indipendente MANA Naoto Shirahata, e un gruppo di ricerca composto dal professor Yoshinobu Baba e dall'assistente professore Takao Yasui, Scuola di specializzazione in Ingegneria, Università di Nagoya, sviluppato congiuntamente un materiale fluorescente al silicio che ha una tossicità molto bassa e un'elevata efficienza di luminescenza, rispetto ai materiali convenzionali. Sotto radiazione nel vicino infrarosso (NIR) a lunghezze d'onda da 650 a 1, 000 nm - la gamma nota come "finestra ottica biologica" - che è in grado di attraversare i sistemi viventi, il gruppo congiunto è riuscito per la prima volta al mondo a eseguire il bioimaging utilizzando il nuovo materiale.

La bioimaging a fluorescenza si riferisce alla visualizzazione di cellule e altri tessuti biologici che sono invisibili ad occhio nudo, contrassegnandoli visibili con un materiale fluorescente. La tecnica consente l'osservazione in vivo della distribuzione e del comportamento delle cellule viventi in tempo reale. Attraverso l'applicazione di questa tecnica, può essere possibile osservare il comportamento di cellule e biomolecole legate alla patogenesi e identificare il meccanismo di sviluppo della malattia. Molti dei materiali fluorescenti convenzionali emettono luce quando reagiscono alla luce ultravioletta (UV) o alla luce visibile. Però, perché i componenti biologici come l'emoglobina e i fluidi corporei assorbono questi tipi di luce, non sono applicabili per l'osservazione a livello profondo di questioni biologiche. Alcuni materiali fluorescenti sono reattivi alla luce a lunghezze d'onda che cadono sotto una "finestra ottica biologica, " ma la maggior parte dei materiali ha una scarsa efficienza luminescente, e pochi altri con alta efficienza luminescente contengono elementi tossici come piombo e mercurio.

Utilizzando particelle a base di silicio, il gruppo congiunto ha sviluppato con successo un materiale fluorescente in grado di produrre luminescenza in modo efficiente reagendo alla luce in ingresso a lunghezze d'onda paragonabili a una "finestra ottica biologica". L'uso di materiali fluorescenti a base di silicio nel bioimaging era stato precedentemente studiato, e sono stati riscontrati alcuni problemi come la necessità di luce UV per esercitare eccitazione e luminescenza efficiente, e che hanno basse efficienze di emissione di luce. Alla luce di questi problemi, il gruppo di ricerca congiunto ha sviluppato una nuova struttura nucleo-doppio guscio in cui nanoparticelle di silicio cristallino, fungendo da nuclei, sono rivestiti con gruppi idrocarburici e un tensioattivo. L'imaging a fluorescenza con eccitazione a due fotoni ha dimostrato che il silicio cristallino mostra una fotoeccitazione efficiente quando assorbe NIR, e che i gruppi idrocarburici nel rivestimento hanno aumentato la resa quantica delle emissioni. Per di più, il rivestimento tensioattivo ha reso il materiale fluorescente solubile in acqua. Di conseguenza, il nuovo materiale ha consentito una marcatura efficiente delle biomolecole target, e successiva bioimaging fluorescente dei bersagli contrassegnati utilizzando una gamma di radiazioni NIR che passa attraverso i sistemi viventi.

Negli studi futuri, miriamo a realizzare bioimmagini fluorescenti a un livello profondo utilizzando il nuovo materiale fluorescente al silicio che abbiamo sviluppato in questo studio.

Una parte di questo studio è stata condotta in connessione con il progetto "Molecule &Material Synthesis Platform" presso l'Università di Nagoya nell'ambito del programma "Nanotechnology Platform Japan" organizzato dal Ministero della Pubblica Istruzione, Cultura, Gli sport, Scienze e tecnologia.

Questo studio è stato pubblicato nella versione online di Nanoscala il 13 aprile, 2016.