Le nanoparticelle "pelose" realizzate con materiali sensibili alla luce che si assemblano da sole potrebbero un giorno diventare "nano-vettori" fornendo ai medici un nuovo modo per introdurre contemporaneamente nei tumori sia farmaci terapeutici che calore antitumorale. Questa è una potenziale applicazione per una nuova tecnologia che combina materiali idrorepellenti ma sensibili alla luce e che assorbono l'acqua in nanoreattori polimerici per la creazione di nanoparticelle d'oro fotosensibili.

La luce di lunghezze d'onda specifiche provoca l'assemblaggio e il disassemblaggio delle nanoparticelle su richiesta, consentendo l'organizzazione dinamica delle nanoparticelle per il rilascio intelligente di farmaci in vitro. Includendo le molecole chemioterapiche nelle strutture delle nanoparticelle quando vengono assemblate, le molecole potrebbero essere attirate nei tumori e quindi rilasciate con l'applicazione di una luce a una lunghezza d'onda più corta che innesca il disassemblaggio attraverso la fotoscissione.

Oltre a un autoassemblaggio e smontaggio così dinamico, l'incapsulamento e il rilascio di molecole chemioterapiche potrebbe essere ottenuto anche mediante legame covalente reversibile di farmaci antitumorali ai "capelli" polimerici situati sulla superficie delle nanoparticelle. E assorbendo la stessa luce che innesca il rilascio del farmaco, le nanoparticelle d'oro potrebbero anche riscaldare le cellule cancerose, fornendo un doppio pugno.

In una vasta gamma di altre applicazioni, il processo di autoassemblaggio delle nanoparticelle potrebbe anche essere innescato da fattori ambientali tra cui temperatura, pH o polarità del solvente progettando razionalmente i peli polimerici. In questo studio, sono state utilizzate nanoparticelle d'oro, ma il processo potrebbe anche produrre nanoparticelle autoassemblate da una varietà di metalli e ossidi metallici. Adattando la superficie delle nanoparticelle con polimeri che assorbono l'acqua contenenti componenti reattivi al vicino infrarosso, il rilascio del farmaco potrebbe essere effettuato in vivo.

Le nanoparticelle d'oro sferiche possono essere sostituite con nanomateriali di forma più complessa, come nanoparticelle cave, nanotubi, o nanotubi – per rendere un migliore assorbimento della luce del vicino infrarosso per penetrare i tessuti biologici. Finora non è stato effettuato alcun test su queste nanoparticelle su cellule o organismi viventi.

La ricerca è stata supportata dall'Air Force Office of Scientific Research e dalla National Science Foundation, ed è stato riportato il 31 gennaio nella prima edizione della rivista Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze . Gli scienziati dei materiali del Georgia Institute of Technology e della South China University of Technology sono stati co-autori del documento.

"Prevediamo che queste nanoparticelle d'oro ricoperte di polimeri fotosensibili potrebbero un giorno fungere da nano-vettori per la somministrazione di farmaci nel corpo utilizzando il nostro processo robusto e reversibile per l'assemblaggio e lo smontaggio, " disse Zhiqun Lin, un professore della Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Utilizzato nella terapia del cancro, questo processo potrebbe aumentare l'impatto di un trattamento riscaldando le cellule tumorali mentre si introduce il composto farmacologico nel tumore".

Sotto la luce, gli assemblaggi di nanoparticelle fotosensibili si separano in un periodo di ore a una velocità che può essere controllata dall'intensità e dalla lunghezza d'onda della luce. "Poiché lo smontaggio può essere attivato e disattivato a piacimento, potremmo fornire un rilascio temporizzato del farmaco controllando l'esposizione alla luce a breve lunghezza d'onda, " ha aggiunto Lin.

Le nanoparticelle pelose sono fabbricate attorno a un minuscolo nucleo di beta-ciclodestrina da cui vengono coltivate catene polimeriche di poli(acido acrilico)-blocco-poli(7-metilacriloilossi-4-metilcumarina) (PAA-b-PMAMC). Quel materiale attrae precursori di metalli solubili in acqua, che utilizzano lo spazio all'interno dei capelli polimerici come nano-reattori per formare nanoparticelle d'oro.

A queste strutture interne, che sono polimeri PAA idrofili, i ricercatori aggiungono peli realizzati con il monomero idrofobo MAMC. Questi materiali sono sensibili alla luce, e fanno sì che le nanoparticelle si autoassemblano attraverso un processo di foto-dimerizzazione - reticolazione - quando sottoposte a luce a una lunghezza d'onda di 365 nanometri.

Il processo di assemblaggio può essere invertito in modo affidabile su richiesta utilizzando una lunghezza d'onda più corta a 254 nanometri.

"Una volta che le catene polimeriche delle nanoparticelle d'oro adiacenti iniziano a fotoreticolare, riuniscono le nanoparticelle tramite un processo di autoassemblaggio per generare grandi assemblaggi di nanoparticelle, " ha detto Lin. "Questo processo è completamente reversibile e può essere ripetuto in molti cicli".

Il team di ricerca ha incorporato molecole di colorante nelle nanoparticelle autoassemblate per simulare cosa si potrebbe fare per incorporare e quindi rilasciare agenti chemioterapici. Un materiale di ossido magnetico incorporato nelle nanoparticelle potrebbe consentire agli assemblaggi di essere diretti verso un sito tumorale da un magnete esterno, e potrebbe anche supportare la diagnostica per immagini.

Al di là dell'attività dei farmaci, gli effetti plasmonici delle nanoparticelle d'oro potrebbero riscaldare le nanoparticelle quando sono sottoposte alla luce, attaccando le cellule tumorali attraverso una seconda via.

Oltre ai potenziali usi medici, la tecnica dell'autoassemblaggio potrebbe avere applicazioni in ottica, optoelettronica, tecnologie magnetiche, materiali e dispositivi di rilevamento, catalisi e nanotecnologie. La tecnica potrebbe anche portare a nuove ricerche di base sulla cinetica di cristallizzazione, utilizzando il processo di autoassemblaggio per creare "cristalli artificiali" tenuti insieme da catene polimeriche.

Il laboratorio di Lin ha lavorato sui polimeri a blocchi anfifilici a forma di stella per diversi anni, aggiungendo nuove funzionalità ed esplorando nuove capacità per i sistemi di nanoparticelle.

"Il nostro lavoro fornisce una strategia di progettazione che consente la manipolazione sia del blocco esterno che del blocco interno di un copolimero a blocchi a forma di stella, " ha detto. "Il nostro contributo fondamentale in questo lavoro è quello di preparare con giudizio un copolimero a blocchi a forma di stella in cui il blocco interno ha la capacità di coordinarsi con i precursori metallici mentre il blocco esterno consente ai materiali fotosensibili di interagire, che a sua volta rende la creazione di nanoparticelle d'oro fotosensibili per un autoassemblaggio reversibile e affidabile abilitato alla luce".