Как на золотые наночастицы влияют биополимерные оболочки?

Российские учёные установили, как влияют изготовленные из биополимеров покрытия на золотые наночастицы, применяемые в различных областях медицины. Результаты этой работы были освещены в журнале Applied Materials Today, а сама она проведена при поддержке Российского научного фонда.

Золотые наночастицы в настоящее время активно используются для диагностики раковых опухолей. Они являются самыми стабильными из всех видов наночастиц и наиболее удобными для проведения разнообразных анализов и диагностик. Их физические и химические свойства изменяются при контакте с тем или иным веществом, и это можно обнаруживать с помощью специального оборудования.

Уже более двадцати лет золотые наночастицы в совокупности с лазерным облучением используются для диагностики и лечения злокачественных опухолей. Мельчайшие частицы золота оснащаются особыми оболочками, как правило – из природных материалов. В последнее время наиболее перспективными стали оболочки из полидопамина – полимера, получаемого путём видоизменения допамина, или дофамина. Да-да, это тот самый «гормон счастья», который влияет на наше настроение, самочувствие и удовлетворённость. Преимуществом полидопамина является простота его получения, отсутствие токсичности и способность эффективно связывать различные молекулы. Полидопаминовые плёнки можно использовать не только в медицине: ими активно интересуются производители электроники – например, они могут применяться в сенсорах и дисплеях.

При этом свойства полидопамина во многом пока ещё не изучены. В частности, не исследован плазмонный резонанс частиц, покрытых полидопаминовыми оболочками. А именно это свойство наиболее важно при диагностике раковых заболеваний.

Сам по себе плазмонный резонанс – отличительное свойство всех металлов. Почему металлы блестят и проводят электрический ток? Всё дело в содержащихся в них свободных электронах. При освещении на них воздействует переменное электрическое поле; свободные электроны подстраиваются под его частоту, из-за чего световая волна отражается – и мы видим блеск. Это и называется плазмонным резонансом. Благодаря этому явлению усиливается способность металлов поглощать и рассеивать свет, что используется в исследованиях с применением светового микроскопа.

Когда металлические частицы покрываются оболочками, не проводящими электрический ток, усиливается общее рассеяние света. В этом случае максимальная точка плазмонного резонанса смещается в красную зону спектра. Однако полидопамин – совершенно особое покрытие. Оно имеет чёрную окраску и не рассеивает, а поглощает лучи. При этом оставалось непонятным, как это влияет на способность золотых наночастиц излучать блеск. Эту задачу и постарались решить российские физики.

Для этого они проанализировали свойства золотых частиц разных форм и размеров: сферических, длинных стержневидных и коротких стержневидных. В качестве оболочек использовались кремнезём и упомянутый полидопамин. Сферические частицы, покрытые кремнезёмом, при облучении вели себя в полном соответствии с теорией – их спектр смещался в «красную» сторону. Те же наносферы, покрытые полидопамином, показали аналогичные результаты при облучении. Наностержни имеют два вида плазмонного резонанса – продольный и поперечный. Однако все они в кремнезёмной оболочке изменялись одинаково – пик рассеяния уходил в «красную» область, а амплитуда увеличивалась на десять процентов. В случае полидопаминовой оболочки результат был похожий, но обнаружилось странное свойство: амплитуда продольного резонанса уменьшалась, если толщина оболочки возрастала. Это противоречит обычному поведению частиц с другими полимерными оболочками – при увеличении толщины покрытия амплитуда резонанса также должна увеличиваться. Исследователи провели компьютерное моделирование, которое тоже подтвердило необычное поведение золотых наностержней, покрытых полидопаминовыми оболочками. 
Что это может дать в исследовательской и практической сферах? Если свойства золотых наночастиц в полидопаминовой оболочке становятся более изученными и понятными, то это может открыть новые возможности для их использования. Помимо чисто медицинских целей, золотые наночастицы могут применяться и в других областях. К примеру, на их основе можно построить «химический нос», который будет определять наличие в растворе тех или иных компонентов. Наночастицы золота могут использоваться в «биоштрихкодах». Золотые наночастицы могут применяться и для адресной доставки лекарственных веществ. Другие наночастицы, оснащённые специальным покрытием, способны замедлять рост бактерий. В целом можно сказать, что золотые наночастицы – это одна из основ современной биотехнологии и высокотехнологичной медицины. Дополняемые разнообразной «одеждой» — оболочками из разных компонентов, они показывают поистине универсальные и многообразные свойства. Поэтому эффекты, получаемые при соединении наночастиц с «одеждой», в том числе с полидопаминовой, необходимо изучать как можно подробнее.