Золото в тонком слое кремнезема: ученые предложили новый способ отслеживания доставки лекарств в организм

Наночастицы золота, покрытые тонким слоем кремнезема, лучше рассеивают свет, чем те, что имеют плотную «шубу». Золотые наночастицы можно использовать для адресной доставки лекарств, и их яркое «сияние» позволит лучше отслеживать перемещение препаратов по организму с помощью специальных приборов. К такому выводу пришли ученые подведомственного Минобрнауки России Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта.

В современной медицине активно развивается система адресной доставки лекарств: препарат транспортируется с помощью специальных носителей строго в определенное место, например к опухоли. Это позволяет избежать повреждения и гибели здоровых клеток и тканей. Одна из возможных систем доставки лекарств предполагает использование наночастиц золота, к которым присоединяют молекулы лекарства. Такую конструкцию покрывают специальной оболочкой, защищающей лекарство от слишком раннего высвобождения. Кроме того, к ней могут крепиться антитела — белковые молекулы, нацеливающие частицы в нужное место.

В качестве материала для создания оболочки таких частиц используется кремнезем. Эти покрытия стабильны и безопасны для человека, и их толщину можно легко и точно контролировать. До сих пор ученых, в основном, интересовало, какой размер и форму должны иметь наночастицы на основе золота, чтобы наиболее эффективно доставлять лекарства, а оптическим свойствам таких конструкций уделялось значительно меньше внимания. При этом, если частицы способны хорошо рассеивать падающий на них свет определенного диапазона, их можно отслеживать с помощью специальных приборов, что позволяет контролировать доставку лекарств.

Способность усиливать рассеяние света вблизи нанообъекта во многом зависит от напряженности электрического поля вокруг частиц, поэтому по его значению можно понять, какие частицы будут лучше всего «светиться».

Ученые из БФУ имени И. Канта математически смоделировали значение электрического поля, которое создается тремя типами структур: наночастицами золота без оболочки, частицами, покрытыми слоем кремнезема, а также пустой кремнеземной капсулой. При этом авторы исследовали оболочки разной толщины — от двух до двадцати нанометров.

Оказалось, что наибольшая напряженность электрического поля возникала вокруг частиц, покрытых слоем кремнезема толщиной 20 нанометров. Напряженность вокруг них более чем в 2,5 раза превышала значения, характерные для свободных наночастиц золота. Ученые выяснили, что плотно «одетые» частицы хуже рассеивали свет. При этом тонкая оболочка — порядка 2–5 нанометров — наоборот, усиливала рассеяние, благодаря чему частицы легче обнаруживались при их освещении лазером.

«Наше исследование показало, что эффект кремниевой оболочки неоднозначен: если она тонкая, то увеличивает рассеяние света частицами, если толстая — мешает ему. Это позволило определить, что в первом случае частицы легче отследить, а потому они более перспективны в качестве системы доставки лекарств. В дальнейшем мы планируем изучить другие физические свойства наночастиц золота, покрытых слоями из кремнезема разной толщины, нанесенных на различные металлы», — рассказывает Андрей Зюбин, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией математического моделирования оптических свойств наноматериалов БФУ имени И. Канта.

Результаты исследования опубликованы в одном из ведущих научных журналов. Научный проект выполнен на базе научно-образовательного математического центра «Северо-Западный центр математических исследований имени Софьи Ковалевской» БФУ имени И. Канта.

Рисунок 1. Модели рассеяния света наночастицами золота: (а) без оболочки, (b) покрытых слоем кремнезема толщиной 3 нм, и (с) пустыми капсулами из кремнезема.