15.06.2021 - Tel Aviv University (TAU)

Forscher verwandelten durchsichtigen Kalzit in künstliches Gold

Durchbruch bei Metamaterialien: Neues Material kann als Plattform für innovative Krebsbehandlungen dienen

Zum ersten Mal in der Welt haben Forscher der Universität Tel Aviv eine innovative Nanotechnologie entwickelt, die ein transparentes Calcit-Nanopartikel in ein funkelndes goldähnliches Teilchen verwandelt. Mit anderen Worten: Sie verwandelten das transparente Teilchen in ein Partikel, das trotz seiner sehr kleinen Abmessungen sichtbar ist. Nach Ansicht der Forscher kann das neue Material als Plattform für innovative Krebsbehandlungen dienen.

In einer neuen Arbeit, die in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht wurde, hat ein internationales Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Dr. Roman Noskov und Dr. Pavel Ginzburg von der Iby and Aladar Fleischman Faculty of Engineering der Universität Tel Aviv, Prof. Dmitry Gorin vom Center for Photonics and Quantum Materials am Skolkovo Institute of Science and Technology (Skoltech) und Dr. Evgeny Shirshin von der M.V. Lomonosov Moscow State University, hat das Konzept der biofreundlichen Übertragung von optischen Resonanzen über ein mesoskopisches Metamaterial vorgestellt, ein Material mit Eigenschaften, die in der Natur nicht vorkommen. Dieser Ansatz eröffnet vielversprechende Perspektiven für Multifunktionalität in biomedizinischen Systemen und ermöglicht die Verwendung eines einzigen, von einem Designer hergestellten Nanopartikels für Sensorik, photothermische Therapie, photoakustische Tomographie, Bioimaging und gezielte Medikamentenabgabe.

"Dieses Konzept ist das Ergebnis eines interdisziplinären Denkens an der Schnittstelle zwischen der Physik der Metamaterialien und der bioorganischen Chemie mit dem Ziel, die Bedürfnisse der Nanomedizin zu erfüllen. Wir konnten ein mesoskopisches Submikron-Metamaterial aus biokompatiblen Komponenten herstellen, das starke Mie-Resonanzen zeigt, die das Spektralfenster im nahen Infrarotbereich abdecken, in dem biologische Gewebe transparent sind", sagt Dr. Roman Noskov.

Nanostrukturen, die in der Lage sind, Licht im Nanomaßstab zu lokalisieren und mehrere Funktionen zu erfüllen, sind für eine Vielzahl biomedizinischer Anwendungen höchst wünschenswert. Allerdings ist die Biokompatibilität typischerweise ein Problem, da das Engineering der optischen Eigenschaften oft den Einsatz von toxischen Verbindungen und Chemikalien erfordert. Die Forscher haben dieses Problem gelöst, indem sie Goldnanosamen und poröse Sphärolithen aus Vaterit (Kalziumkarbonat) eingesetzt haben, die derzeit als vielversprechende Vehikel für die Abgabe von Medikamenten gelten. Dieser Ansatz beinhaltet die kontrollierbare Infusion von Goldnanosamen in ein Vateritgerüst, was zu einem mesoskopischen Metamaterial - goldenem Vaterit - führt, dessen Resonanzeigenschaften durch Veränderung der Goldmenge innerhalb des Vaterits weitgehend eingestellt werden können. Zusätzlich erlaubt die hohe Nutzlastkapazität der Vaterit-Sphärolithen das gleichzeitige Laden von Medikamenten und fluoreszierenden Markierungen. Zur Veranschaulichung der Leistungsfähigkeit ihres Systems demonstrierten die Forscher die effiziente Lasererwärmung von goldenem Vaterit bei roten und nahinfraroten Wellenlängen, die für die photothermische Therapie und die photoakustische Tomographie sehr wünschenswert sind.

Prof. Pavel Ginzburg fasst zusammen: "Diese neuartige Plattform ermöglicht die Unterbringung mehrerer Funktionalitäten - als einfache Add-ons, die fast nach Bedarf eingeführt werden können. Neben optischer Bildgebung und Thermotherapie können auch MRT-Sichtbarkeit, funktionale biomedizinische Materialien und viele andere Modalitäten in einem Miniatur-Nanopartikel eingeführt werden. Ich glaube, dass unsere gemeinsamen Bemühungen zu In-vivo-Demonstrationen führen werden, die den Weg für eine neue biomedizinische Technologie ebnen werden."

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