01.06.2017

Кремний объединил в себе свойства нагревателя и термометра для борьбы с раком

Физики из Университета ИТМО в Санкт-Петербурге выяснили, что кремниевые наночастицы эффективно нагреваются и одновременно могут сообщать о своей температуре излучаемым светом. По мнению ученых, эти свойства в купе с хорошей биосовместимостью позволят применять полупроводниковые наночастицы в фототермической терапии и нанохирургии. Исследователи планируют контролировать нагрев кремниевых частиц, чтобы в дальнейшем с их помощью точечно выжигать раковые клетки, не затрагивая здоровые. Специалисты опубликовали результаты в престижном журнале Nano Letters.

В рамках фототермической терапии и нанохирургии врачи вводят в организм человека наночастицы из биосовместимых металлов, например, из золота, концентрируют их в опухоли и облучают лазером. Для инфракрасного света биологические ткани прозрачны, но металлические наночастицы хорошо его поглощают и переводят в тепло, с помощью которого убивают раковые клетки. Однако измерить локальную температуру золотых наночастиц крайне трудно, а без этой информации специалисты рискуют перегреть их и задеть здоровые ткани. Поэтому ведется активная работа по поиску биосовместимых веществ, способных одновременно нагреваться и сообщать каким-либо образом о своей температуре.

Физики из Университета ИТМО выяснили, что на роль такого материала хорошо подходит кремний. Как показало новое исследование, кремниевые наночастицы нагреваются даже быстрее золотых благодаря лучшим резонансным свойствам и в отличие от последних могут сигнализировать о своей температуре излучаемым светом. Причем для регистрации этого оптического отклика, называемого Рамановским, не нужны дополнительные сложные устройства или вакуум.

“В фототермической терапии, фотохимии и нанохирургии широко используются наночастицы золота. Но по их оптическому отклику нельзя определить, насколько они нагреты, поскольку металлы не переизлучают свет. В то же время было известно, что у кремния есть нужный оптический отклик и он смещается при изменении температуры. Однако до нас никто не предполагал, что наночастицу кремния можно использовать и в качестве эффективного нагревателя, так как оптические потери на его нагрев много меньше, чем в золоте”, – поясняет Георгий Зограф, магистрант кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО.

Зная, что оптический отклик кремния сильно зависит от температуры, а само это вещество биосовместимо, ученые проверили, насколько эффективно нагреваются наночастицы из этого материала и с какой точностью можно регистрировать их температуру. Исследователи повышали температуру кремниевых наночастиц с помощью лазера и одновременно регистрировали оптический сигнал, исходящий от них. Этот сигнал менялся с ростом температуры и информировал ученых о том, насколько горячи наночастицы.

Как выяснилось, кремниевые наночастицы в четыре раза эффективнее конвертируют лазерное излучение в тепло, чем золотые. Это дает возможность более локально повышать температуру частиц, не нагревая лишним светом лазера их окружение. А значит, как полагают исследователи, полупроводниковые наночастицы могут стать более экономной и безопасной альтернативой металлическим. “В перспективе такие наносистемы, введенные в живые ткани, позволят адресно убивать раковые клетки с помощью нагрева, а контроль температуры в реальном времени спасет здоровые клетки от неконтролируемого перегрева”, – заключает Сергей Макаров старший научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО.

Статья:

Resonant non-plasmonic nanoparticles for efficient temperature-feedback optical heating (2017), George P. Zograf, Mihail I. Petrov, Dmitry A. Zuev, Pavel A. Dmitriev, Valentin A. Milichko, Sergey V. Makarov, and Pavel A. Belov, Nano Letters, http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.7b00183

###

Университет ИТМО (Санкт-Петербург) – национальный исследовательский университет, ведущий вуз России в области информационных и фотонных технологий. Альма-матер победителей международных соревнований по программированию: ACM ICPC (единственный в мире семикратный чемпион), Google Code Jam, Facebook Hacker Cup, Яндекс.Алгоритм, Russian Code Cup, Topcoder Open и др. Приоритетные направления: IT, фотоника, робототехника, квантовые коммуникации, трансляционная медицина, урбанистика, Art&Science, Science Communication. С 2013 года – участник Проекта 5-100. В 2016 г. Университет ИТМО стал 56-м среди  лучших IT-вузов мира по версии предметного рейтинга Times Higher Education (дисциплина "Computer Science") и третьим среди российских университетов в общем рейтинге THE, а также занял 27 строчку в региональном рейтинге THE среди государств группы БРИКС и стран с развивающимися экономиками.

Cписок новостей