Rappresentazione pittorica di (a) cellule coltivate su nanotubi di ossido di titanio e (b) fotoporazione massicciamente parallela utilizzando l'interazione tra una serie di nanotubi e un laser a impulsi. Credito:Toyohashi University of Technology.
Un team di ricerca presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica della Toyohashi University of Technology ha sviluppato un metodo di fotoporazione assistita da laser a impulsi di nanosecondi utilizzando nanotubi di ossido di titanio (TNT) per una consegna intracellulare altamente efficiente ea basso costo. I risultati della loro ricerca saranno pubblicati nel Scienza delle superfici applicata il 30 marzo 2021, 148815.
Il potenziale di fornire molecole esterne in cellule viventi con elevata vitalità cellulare e capacità di trasfezione è di grande interesse nella biologia cellulare per la diagnostica, consegna farmaci, e lo sviluppo terapeutico verso la terapia cellulare e la medicina rigenerativa. Per molti anni, i sistemi di somministrazione dei farmaci sono avanzati per ottenere un maggiore controllo del dosaggio dei farmaci, consegna mirata, e ridotti effetti collaterali. Queste tecniche possono essere classificate come virali, fisico, o metodi chimici.
Tra questi metodi, la fotoporazione sta emergendo ed è diventata popolare per la consegna intracellulare negli ultimi anni, grazie alla minore invasività. In questo metodo, nanoparticelle d'oro, che assorbono la luce pulsata, sono dispersi in una soluzione per perforare le cellule, però, i materiali sono costosi. È desiderabile utilizzare nanomateriali meno costosi pur mantenendo un'elevata efficienza di erogazione e vitalità cellulare.
Il gruppo di ricerca ha progettato e fabbricato un array di nanotubi conveniente per la consegna intracellulare basata sulla fotoporazione. I TNT sono stati formati su fogli di titanio a diversi voltaggi e tempi utilizzando la tecnica dell'anodizzazione elettrochimica. La spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS) ha rivelato la presenza di diverse specie di ossido di titanio come TiO 2 e TixOy (TiO/Ti 2 oh 3 /Ti 3 oh 5 ). I TNT formati da diverse tensioni e tempi di anodizzazione avevano diverse concentrazioni di tali specie di ossidazione insieme a una minore quantità di metallo Ti (Ti0). A causa della formazione di difetti di ossigeno, i nanotubi hanno proprietà quasi metalliche e metalliche. Queste proprietà dei nanotubi possono facilitare la consegna intracellulare con vari meccanismi dopo l'irradiazione con un laser a impulsi di nanosecondi.
Rappresentazione schematica del possibile meccanismo di fotoporazione su nanotubi di ossido di titanio per la consegna del carico. Credito:Toyohashi University of Technology.
HeLa:cellule di cancro cervicale umano sono state coltivate su TNT ed è stata introdotta una soluzione biomolecolare. Dopo l'esposizione a un laser a impulsi da 532 nm su nanotubi, abbiamo consegnato con successo ioduro di propidio (PI) e destrano nelle cellule del cancro cervicale umano HeLa con alta efficienza e vitalità cellulare.
I possibili principi di perforazione della membrana cellulare includono nanobolle mediate dal calore, specie reattive dell'ossigeno (ROS) indotte dalla fotochimica trasferimento di calore dai nanotubi alla membrana cellulare, e risonanza plasmonica di superficie localizzata ad alto potenziamento del campo elettromagnetico su ciascun nanotubo. Ciò porta alla formazione di nanobolle cavitazionali in ciascuna interfaccia membrana cellulare-nanotubo che possono crescere rapidamente, fondersi, e crollano per provocare esplosioni, con conseguente perforazione della membrana cellulare, che consente alle biomolecole di essere trasportate dall'esterno all'interno delle cellule. "Il meccanismo preciso per la consegna intracellulare sulla fotoporazione basata su TNT non è ancora chiaro. La consegna intracellulare può avvenire dalla combinazione dei meccanismi, " dice L. Mohan, un ricercatore, alla Toyohashi University of Technology.
Moeto Nagai, il capo squadra, alla Toyohashi University of Technology, ritiene che i nanotubi di ossido di titanio potrebbero essere una piattaforma versatile ea basso costo per la somministrazione intracellulare mediante laser pulsato. Le caratteristiche principali di questo dispositivo hanno un'erogazione uniforme parallela e controllata con elevata efficienza e vitalità cellulare ed è potenzialmente applicabile per la terapia cellulare e la medicina rigenerativa.
