Attacca un polimero intelligente alla tua nanogabbia d'oro, visto qui in sezione trasversale con i pori agli angoli. Per caricare le gabbie, agitarli in una soluzione del farmaco a una temperatura superiore alla temperatura critica del polimero. Lascia raffreddare le gabbie, in modo che le catene polimeriche si alzino come spazzole, sigillando i pori della gabbia. Per rilasciare il farmaco, esporre le gabbie alla luce laser (il fulmine) alla loro frequenza di risonanza, riscaldandoli quanto basta per portare il polimero oltre la sua temperatura critica. Le catene polimeriche collasseranno, aprendo i pori, e rilasciando il farmaco. La gabbia può essere richiusa semplicemente spegnendo la luce. Credito:Younan Xia, Washington University di St. Louis
Nei vecchi film campy, Lucretia Borgia gira intorno svuotando la polvere dal suo anello in bicchieri da vino lasciati con noncuranza incustoditi. L'anello del veleno è solitamente una confezione di filigrana d'oro che contiene un cabochon o una pietra preziosa sfaccettata che può essere rotta per svuotare il contenuto dell'anello. È invariabilmente enorme, così grande che sembra strano che nessuno se ne accorga.
Lucretia avrebbe dato i suoi denti per la "capsula intelligente" ideata nel laboratorio di Younan Xia alla Washington University di St. Louis. Una minuscola gabbia d'oro ricoperta da un polimero intelligente, risponde alla luce, aprendo per svuotarne il contenuto, e richiudendo quando la luce è spenta. Infinitamente più scaltro e discreto dell'anello di Lucrezia, la nanogabbia è troppo piccola per essere vista, tranne che indirettamente:miliardi cambiano il colore del liquido in una provetta.
No Lucrezia, Xia è un guaritore piuttosto che un avvelenatore. La nanogabbia intelligente è progettata per essere riempita con una sostanza medicinale, come un farmaco chemioterapico o un battericida. Rilascio di quantità attentamente titolate di un farmaco solo vicino al tessuto che è il bersaglio previsto del farmaco, questo sistema di somministrazione massimizzerà gli effetti benefici del farmaco riducendo al minimo i suoi effetti collaterali.
Il metodo per realizzare le capsule e i test delle loro prestazioni è apparso online il 1 novembre, 2009, come parte del programma di pubblicazioni online anticipate della rivista Materiali della natura .
Il primo passo per realizzare una capsula intelligente è mescolare un lotto di nanocubi d'argento. Con l'aggiunta di nitrato d'argento (AgNO .) si possono ottenere minuscoli cubetti di argento a cristallo singolo 3 ) ad una soluzione che dona elettroni agli ioni d'argento, permettendo loro di precipitare come argento solido. L'aggiunta di un'altra sostanza chimica incoraggia gli atomi d'argento a depositarsi su alcune parti di un seme di cristallo piuttosto che su altre, convincere i semi a formare cubetti dai bordi taglienti piuttosto che grumi deformi.
Un secondo passaggio ritaglia tutti e otto gli angoli dai cubi.
I cubi d'argento ritagliati servono quindi come "modelli sacrificali, " su cui prendono forma le gabbie d'oro. Quando i nanocubi d'argento vengono riscaldati in acido cloroaurico (HAuCl 4 ), gli ioni d'oro nell'acido rubano elettroni dagli atomi d'argento nei cubi. L'argento si dissolve e l'oro precipita.
Una pelle dorata si forma sui cubi d'argento mentre i cubi vengono scavati dall'interno. Gli atomi d'argento entrano in soluzione attraverso i pori che si formano negli angoli ritagliati dei cubi.
"Ma la parte davvero bella, "dice Xia, "e la parte interessante della nanotecnologia in generale, è che le minuscole gabbie d'oro hanno proprietà molto diverse dall'oro sfuso." In particolare, rispondono in modo diverso alla luce.
Il fisico Michael Faraday fu il primo a rendersi conto che una sospensione di particelle d'oro brillava di rosso rubino perché le particelle erano estremamente piccole. "Il suo campione originale di colloide d'oro è ancora al Faraday Museum di Londra, "dice Xia, dottorato di ricerca, il James M. McKelvey Professor presso il Dipartimento di Ingegneria Biomedica. "Non è fantastico? Sono passati più di 150 anni ed è ancora lì".
Il colore è causato da un effetto fisico chiamato risonanza plasmonica di superficie. Alcuni degli elettroni nelle particelle d'oro non sono ancorati ai singoli atomi ma formano invece un gas di elettroni fluttuante. La luce che cade su questi elettroni può farli oscillare all'unisono. Questa oscillazione collettiva, il plasmone di superficie, sceglie una particolare lunghezza d'onda, o colore, fuori dalla luce incidente, e questo è il colore che vediamo.
La forte risposta ad una particolare lunghezza d'onda, chiamata risonanza, è ciò che fa vibrare una corda di violino a un tono particolare o permette a un bambino di pompare un'altalena in alto nel cielo calciando proprio al momento giusto.
Cosa c'è di più, la risonanza plasmonica di superficie è accordabile più o meno nello stesso senso in cui è accordabile un violino.
"Faraday ha usato particelle solide per fare il suo colloide, " commenta Xia. "Puoi sintonizzare la lunghezza d'onda di risonanza modificando la dimensione delle particelle, ma solo entro limiti ristretti. Non puoi raggiungere le lunghezze d'onda che vogliamo".
Le lunghezze d'onda che vuole sono quelle alle quali il tessuto umano è relativamente trasparente, in modo che le gabbie nel flusso sanguigno possano essere aperte dalla luce laser illuminata sulla pelle.
Il colore delle nanogabbie può essere regolato su una gamma più ampia rispetto alle particelle solide alterando lo spessore delle pareti delle gabbie, dice Xia. Man mano che si deposita più oro e le conchiglie si addensano, una sospensione di nanogabbie passa dal rosso, al viola, al blu brillante, al blu scuro, alle lunghezze d'onda del vicino infrarosso.
Il team di Xia vuole raggiungere una ristretta finestra di trasparenza dei tessuti che si trova tra 750 e 900 nanometri, nel vicino infrarosso. Questa finestra è delimitata da un lato dalle lunghezze d'onda fortemente assorbite dal sangue e dall'altro da quelle fortemente assorbite dall'acqua.
La luce in questo punto debole può penetrare fino a diversi centimetri nel corpo.
"La gente faceva una dimostrazione ai colloqui, "Xia dice, ridendo. "Si mettevano in bocca un laser a diodi rossi, e il pubblico poteva vederlo dall'esterno, perché la lunghezza d'onda del diodo è 780 nanometri, una lunghezza d'onda alla quale la carne è abbastanza trasparente."
Qui le cose si fanno ancora più complicate e ancora più sorprendenti. La risonanza ha in realtà due parti. Alla frequenza di risonanza, la luce può essere dispersa dalle gabbie, assorbito da loro, o una combinazione di questi due processi.
Proprio come possono sintonizzare la risonanza plasmonica di superficie, gli scienziati possono regolare la quantità di energia assorbita anziché dispersa manipolando le dimensioni e la porosità delle nanogabbie.
Xia illustra la differenza tra dispersione e assorbimento con un meraviglioso manufatto romano, la Coppa di Licurgo del IV secolo. La tazza sembra verde giada dall'esterno ma diventa rosa quando viene accesa dall'interno.
Inizia con un nanocubo argento (grigio) con angoli ritagliati. Immergere il cubo in acido cloroaurico (HAuCl 4 ). Poiché l'oro (giallo) ha una maggiore affinità per gli elettroni rispetto all'argento, gli ioni d'oro estrarranno elettroni dall'argento e precipiteranno sul cubo d'argento. Mentre questo processo continua, il cubo d'argento è eroso dall'interno, gli ioni d'argento che escono attraverso i pori che si aprono negli angoli ritagliati del cubo. Man mano che la pelle dorata si avvicina allo spessore desiderato, gli angoli triangolari diventano fori squadrati, una configurazione leggermente più favorevole energeticamente. Credito:Younan Xia, Washington University di St. Louis
L'analisi moderna mostra che il vetro antico contiene nanoparticelle di una lega argento-oro che disperde fortemente la luce a una lunghezza d'onda nella parte verde dello spettro. Quando la tazza è accesa dall'interno, però, la luce verde viene assorbita, e vediamo la luce rimanente, che è prevalentemente rosso, il colore complementare al verde.
In realtà è il componente di assorbimento che gli scienziati sfruttano per aprire e chiudere le nanogabbie. Quando la luce viene assorbita viene convertita in calore, e le nanogabbie sono ricoperte da uno speciale polimero che risponde al calore in modo interessante.
Il polimero, poli(N-isopropilacrilammide), e i suoi derivati hanno quella che viene chiamata una temperatura critica. Quando raggiunge questa temperatura subisce una trasformazione chiamata cambiamento di fase.
Se la temperatura è inferiore alla temperatura critica, le catene polimeriche sono amanti dell'acqua e si stagliano dalla gabbia come spazzole. Le spazzole sigillano i pori della gabbia e impediscono al suo carico di fuoriuscire. Se la temperatura è al di sopra della temperatura critica, d'altra parte, le catene polimeriche evitano l'acqua, rimpicciolirsi e crollare. Mentre si restringono, i pori della gabbia si aprono, e il suo contenuto fuoriesce.
"È un po' controintuitivo, "dice Xia. "In genere quando si va a temperature più alte, una molecola si espanderà, ma questo fa il contrario."
Come tutto il resto di questo sistema, il polimero è sintonizzabile. Gli scienziati possono controllare la sua temperatura critica alterandone la composizione. Per applicazioni mediche, sintonizzano la temperatura critica su uno appena sopra la temperatura corporea (37 gradi Celsius) ma ben al di sotto di 42 gradi Celsius (107 gradi Fahrenheit), la temperatura alla quale il calore comincerebbe a uccidere le cellule.
Poi viene la parte divertente. Una volta realizzate le loro capsule intelligenti, gli scienziati li hanno testati caricandoli con un colorante rosso vivo chiamato alazarin cremson, o rosa più pazza. Il colorante ha reso facile rilevare e misurare qualsiasi rilascio con uno spettrometro.
Le gabbie sono state caricate agitandole in una soluzione del colorante a una temperatura superiore alla temperatura critica del polimero intelligente. Prossimo, sono stati immersi in un bagno di ghiaccio per attivare il polimero per chiudere i pori e intrappolare il colorante all'interno delle gabbie. Le gabbie sono state quindi riaperte bagnandole alla luce di un laser nel vicino infrarosso. La luce assorbita riscaldava le gabbie d'oro al di sopra della temperatura critica e provocava il cambiamento di fase del polimero. Il polimero è collassato, i pori delle gabbie erano scoperti, e la tintura fuoriesce.
Successivamente il team ha caricato le capsule con doxorubicina, un comune farmaco chemioterapico e, innescando il rilascio del farmaco con un laser, ha ucciso le cellule del cancro al seno che crescono nei pozzetti su un piatto di plastica.
E infine, hanno caricato le capsule con un enzima che apre le pareti cellulari dei batteri e le hanno usate per uccidere un batterio che è una parte normale della flora della nostra bocca e della nostra gola.
Lucrezia, mangia il tuo cuore.
Fonte:Washington University di St. Louis (notizie:web)
