La mappatura elementare della posizione degli atomi di ferro (blu) nelle nanoparticelle magnetiche e del cadmio (rosso) nei punti quantici fluorescenti fornisce una chiara visualizzazione del modo in cui i due tipi di particelle si separano naturalmente in una struttura a nucleo e guscio.
Un obiettivo a lungo cercato di creare particelle in grado di emettere un bagliore fluorescente colorato in un ambiente biologico, e che potrebbe essere manipolato con precisione in posizione all'interno delle cellule viventi, è stato realizzato da un team di ricercatori del MIT e di diverse altre istituzioni. La scoperta è riportata questa settimana sul giornale Comunicazioni sulla natura .
La nuova tecnologia potrebbe consentire di tracciare la posizione delle nanoparticelle mentre si muovono all'interno del corpo o all'interno di una cellula. Allo stesso tempo, le nanoparticelle potrebbero essere manipolate con precisione applicando un campo magnetico per trascinarle. E infine, le particelle potrebbero avere un rivestimento di una sostanza bioreattiva che potrebbe cercare e legarsi a particolari molecole all'interno del corpo, come marcatori per le cellule tumorali o altri agenti patologici.
"È stato un mio sogno per molti anni avere un nanomateriale che incorpori sia la fluorescenza che il magnetismo in un unico oggetto compatto, "dice Moungi Bawendi, il Lester Wolfe Professor of Chemistry al MIT e autore senior del nuovo articolo. Mentre altri gruppi hanno ottenuto una combinazione di queste due proprietà, Bawendi afferma di "non essere mai stato molto soddisfatto" dei risultati precedentemente ottenuti dalla propria squadra o da altri.
Per una cosa, lui dice, tali particelle sono state troppo grandi per fare sonde pratiche di tessuto vivente:"Hanno avuto la tendenza ad avere un sacco di volume sprecato, " Bawendi dice. "La compattezza è fondamentale per il biologico e per molte altre applicazioni".
Inoltre, sforzi precedenti non sono stati in grado di produrre particelle di dimensioni uniformi e prevedibili, che potrebbe anche essere una proprietà essenziale per applicazioni diagnostiche o terapeutiche.
Inoltre, Bawendi dice, "Volevamo essere in grado di manipolare queste strutture all'interno delle cellule con campi magnetici, ma sappiamo anche esattamente cosa stiamo muovendo." Tutti questi obiettivi sono raggiunti dalle nuove nanoparticelle, che possono essere identificati con grande precisione dalla lunghezza d'onda delle loro emissioni fluorescenti.
Il nuovo metodo produce la combinazione delle proprietà desiderate "in un pacchetto il più piccolo possibile, " dice Bawendi, che potrebbe aiutare a spianare la strada a particelle con altre proprietà utili, come la capacità di legarsi a un tipo specifico di biorecettore, o un'altra molecola di interesse.
Nella tecnica sviluppata dal team di Bawendi, guidato dall'autore principale e postdoc Ou Chen, le nanoparticelle si cristallizzano in modo tale da autoassemblarsi esattamente nel modo che porta al risultato più utile:le particelle magnetiche si raggruppano al centro, mentre le particelle fluorescenti formano un rivestimento uniforme intorno a loro. Ciò posiziona le molecole fluorescenti nella posizione più visibile per consentire il tracciamento ottico delle nanoparticelle attraverso un microscopio.
"Sono belle strutture, sono così puliti, " dice Bawendi. Quell'uniformità nasce, in parte, perché il materiale di partenza, nanoparticelle fluorescenti che Bawendi e il suo gruppo stanno perfezionando da anni, sono essi stessi perfettamente uniformi nelle dimensioni. "Devi usare un materiale molto uniforme per produrre una costruzione così uniforme, " dice Chen.
Inizialmente, almeno, le particelle potrebbero essere utilizzate per sondare le funzioni biologiche di base all'interno delle cellule, Bawendi suggerisce. Mentre il lavoro continua, esperimenti successivi possono aggiungere materiali aggiuntivi al rivestimento delle particelle in modo che interagiscano in modi specifici con molecole o strutture all'interno della cellula, sia per la diagnosi che per il trattamento.
La capacità di manipolare le particelle con gli elettromagneti è la chiave per utilizzarle nella ricerca biologica, Bawendi spiega:Le minuscole particelle potrebbero altrimenti perdersi nel miscuglio di molecole che circolano all'interno di una cellula. "Senza una maniglia magnetica, 'è come un ago in un pagliaio, " dice. "Ma con il magnetismo, lo trovi facilmente."
Le immagini TEM a risoluzione crescente mostrano la struttura delle supernanoparticelle nucleo-guscio sviluppate dai ricercatori. I punti quantici fluorescenti (QD) formano un guscio attorno a un nucleo di nanoparticelle magnetiche (MNP).
Un rivestimento di silice sulle particelle consente l'adesione di molecole aggiuntive, facendo sì che le particelle si leghino a strutture specifiche all'interno della cellula. "La silice lo rende completamente flessibile; è un materiale ben sviluppato che può legarsi a quasi tutto, "dice Bawendi.
Per esempio, il rivestimento potrebbe avere una molecola che si lega a un tipo specifico di cellule tumorali; poi, "Potresti usarli per migliorare il contrasto di una risonanza magnetica, in modo da poter vedere i contorni macroscopici spaziali di un tumore, " lui dice.
Vista ad alta risoluzione della struttura di una singola supernanoparticella core-shell.
Il prossimo passo per il team è testare le nuove nanoparticelle in una varietà di ambienti biologici. "Abbiamo fatto il materiale, " Chen dice. "Ora dobbiamo usarlo, e stiamo lavorando con una serie di gruppi in tutto il mondo per una varietà di applicazioni."
Christopher Murray, un professore di chimica e scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università della Pennsylvania che non era collegato a questa ricerca, dice, "Questo lavoro esemplifica il potere dell'utilizzo dei nanocristalli come elementi costitutivi per strutture multiscala e multifunzionali. Usiamo spesso il termine 'atomi artificiali' nella comunità per descrivere come stiamo sfruttando una nuova tavola periodica di elementi costitutivi fondamentali per progettare materiali, e questo è un esempio molto elegante."
Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.
