جسيمات نانوية متعددة الوظائف

تم تطوير أول هيكل على الإطلاق يوفر وسائل تكنولوجيا النانو متعددة الأغراض للتصوير الطبي والشفاء في وقت واحد في جامعة واشنطن.

واليوم، يتم تطوير الجسيمات النانوية لمجموعة واسعة من الاستخدامات الطبية - تصوير الأورام، ونقل الأدوية، والتشعيع الحراري الموضعي. وبدلاً من الاستقرار على كل منها على حدة، قام الباحثون في جامعة واشنطن بدمج نوعين من الجسيمات النانوية في مادة واحدة صغيرة. والنتيجة هي أول هيكل على الإطلاق يوفر وسائل تكنولوجيا النانو متعددة الأغراض للتصوير الطبي والشفاء في وقت واحد. تم وصف الهيكل في مقال نُشر مؤخرًا في المجلة العلمية Nature Nanotechnology.

"هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها الجمع بين أشباه الموصلات والجسيمات النانوية المعدنية بطريقة تحافظ على الوظيفة المنفصلة لكل مكون من المكونات المختلفة"، كما أشار المؤلف الرئيسي أستاذ الهندسة الحيوية شياو هو جاو.

وينصب التركيز الحالي على التطبيقات الطبية، لكن الباحثين أوضحوا أن مثل هذه الجسيمات النانوية متعددة الوظائف يمكن استخدامها أيضًا في مجالات أخرى مثل أبحاث الطاقة لتطوير الخلايا الشمسية.

النقاط الكمومية عبارة عن مجالات مشعة (فلورية) من مادة شبه موصلة يبلغ قطرها بضعة نانومترات فقط - وهو جزء صغير من الطول الموجي للضوء المرئي. عند هذا المقياس الصغير، تسمح الخصائص البصرية الفريدة للنقاط الكمومية بإصدار الضوء بألوان مختلفة اعتمادًا على حجمها. ويجري تطوير النقاط الكمومية للتصوير الطبي والخلايا الشمسية والثنائيات الباعثة للضوء.

ولا تزال جزيئات الذهب المضيئة تستخدم في العصور القديمة في صناعة الزجاج الملون؛ وفي الآونة الأخيرة، تم الترويج لاستخدامها في نقل الأدوية وعلاج التهابات المفاصل والتصوير الطبي باستخدام الأشعة تحت الحمراء. يقوم الذهب أيضًا بإعادة إشعاع الحرارة، وبفضل ذلك يمكن استخدامه في العلاج الطبي للإشعاع الحراري الموضعي على الخلايا غير الصحية.

ومع ذلك، إذا قمت بدمج نقطة كمومية مع جسيم نانوي، فستختفي هذه الخصائص. تتداخل المجالات الكهربائية لهذين النوعين من الجسيمات مع بعضها البعض ولا يتصرف أي منهما بشكل طبيعي. وقد تم دمج كلا النوعين بنجاح على سطح ما في الماضي، ولكن لم يتم دمجهما أبدًا في جسيم واحد.

تصف المقالة طريقة إنتاج تستخدم البروتينات لتغليف نواة النقطة الكمومية بطبقة ذهبية رقيقة على بعد ثلاثة نانومترات منها، بحيث لا يتداخل المجالان الكهربائي والضوئي للمكونين المختلفين مع بعضهما البعض. ومن المحتمل أن يتم استخدام النقطة الكمومية للتصوير الفلوري. يمكن استخدام الكرة الذهبية في التصوير القائم على التشتت، والذي يتمتع بمزايا مقارنة بالتصوير الفلوري في ظروف معينة، وكذلك في نقل الحرارة الطبية.

ويشير الباحثون إلى أن طريقة الإنتاج المطورة حديثًا عامة ويمكن أيضًا تكييفها مع مجموعات الجسيمات النانوية الأخرى. يقول الباحث الرئيسي: "لقد اخترنا تحديًا خطيرًا". "من المعروف أن الذهب، أو أي معدن آخر، سوف يخفف من إشعاع النقطة الكمومية، وبالتالي يلغي الغرض منها بشكل أساسي."

وتغلب الباحثون على هذه المشكلة عن طريق إدخال طبقة رقيقة من الذهب تلتف حول النقطة الكمومية، لكنها لا تلمسها أبدًا. لقد سيطروا بعناية على التباعد بين طبقة الذهب ونواة الجسيمات النانوية من خلال استخدام سلاسل بوليمر البولي إيثيلين جلايكول. يتم تحديد المسافة بين قلب النقطة الكمومية وأيون الذهب المشحون وفقًا لطول سلسلة البوليمر ويمكن زيادتها بدقة نانومترية عن طريق إضافة وحدات هيكلية إلى السلسلة. وأضافوا إلى الطبقة الخارجية أحماض أمينية قصيرة (بولي هيستيدين) ترتبط بذرات الذهب المشحونة. يقارن الباحث الرئيسي البنية بأكملها ببيضة ذهبية، حيث النقطة الكمومية هي صفار البيض، والذهب هو القشرة، والبوليمرات تملأ الفراغ بينهما، على غرار بياض البيض.

سمح استخدام الأيونات للباحثين بإعداد طبقة من الذهب يبلغ سمكها 2 إلى 3 نانومتر، وهي رقيقة بما يكفي للسماح لنصف فلورة النقطة الكمومية بالمرور من خلالها. ويشير الباحث إلى أن "جميع الطرق الحالية تستخدم جزيئات الذهب النانوية بدلاً من أيونات الذهب". يبلغ قطر جزيئات الذهب النانوية من ثلاثة إلى خمسة نانومترات، ومع إضافة "الخشونة" الطبيعية، فإن أنحف طبقة يمكنك الوصول إليها يبلغ قطرها من خمسة إلى ستة نانومترات. الحمائم الذهبية أصغر بكثير." يبلغ القطر الإجمالي للجسيم المدمج ما يقرب من خمسة عشر إلى عشرين نانومترًا، وهو صغير بما يكفي ليتمكن من اختراق داخل الخلية البيولوجية.

يوفر مزيج ذرات (أو أيونات) الذهب مواقع ربط موثوقة بدرجة كافية لربط الجزيئات البيولوجية التي يتم تحضيرها تجاه خلايا معينة، مثل الخلايا السرطانية. سيكون الذهب أيضًا قادرًا على زيادة إشعاع النقطة الكمومية بمقدار خمس إلى عشر مرات، كما لوحظ في حالات أخرى في الماضي. توفر طبقة الذهب ميزة أخرى - فالذهب لا يؤذي الجسم، وهو معتمد للاستخدام الطبي ولا يتحلل بمرور الوقت في الجسم؛ لذلك، يمكن أن توفر القشرة الذهبية "حاوية" مستقرة وغير سامة للجسيمات النانوية المستخدمة في الجسم، كما يضيف الباحث الرئيسي.

الخبر من الجامعة