Физики МГУ усовершенствовали метод производства декорированных кремниевых наночастиц

Ученые кафедры общей физики и молекулярной электроники совместно с коллегами из Института автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН усовершенствовали метод создания кремниевых наночастиц, декорированных более мелкими золотыми частицами. Такие наночастицы могут повысить эффективность уничтожения раковых опухолей методом фотогипертермии. Результаты работы опубликованы в журнале Q1 ACS Applied Nano Materials.

Кремниевые наночастицы представляют интерес для диагностики и терапии в ряде биомедицинских приложений, в частности в качестве агентов для фотогипертермии. Наночастица помещается в область, где расположена злокачественная опухоль, и облучается светом в окне прозрачности биоткани (ближний ИК-диапазон). За счет увеличенного поглощения частицами опухоль нагревается сильнее и разрушается при температуре, превышающей 42°С, в то время как здоровая ткань без наночастиц остается целой.

«Кремниевые наночастицы хороши тем, что они биосовместимы и мы можем управлять их размерами, но при этом кремний плохо нагревается в ближнем ИК-диапазоне из-за слабого поглощения падающего излучения. Чтобы повысить эффективность нагрева, нужно либо увеличивать концентрацию наночастиц, что плохо для биосовместимости и биодеградируемости, либо модифицировать частицы какими-то поглощающими веществами, слаботоксичными для живых организмов. В частности, если в кремний добавить частицы благородных металлов, то за счет плазмонного поглощения* нагрев будет больше — отсюда идея создания кремний-золотых частиц», — прокомментировал Станислав Заботнов, к.ф.-м.н., доцент кафедры общей физики и молекулярной электроники.

Для хорошей биосовместимости наночастицы должны быть химически чистыми (без токсичных примесей, которые могут являться остаточными продуктами химических реакций в случае применений нанотехнологий химического синтеза. Поэтому ученые использовали метод лазерной абляции* кремния в жидкости — эта технология позволяет минимизировать количество нежелательных примесей. Пластины кристаллического и пленки пористого кремния помещались в изопропиловый спирт, куда добавляли золотохлористоводородную кислоту, что приводило в процессе абляции к покрытию (декорированию) формирующихся кремниевых наночастиц золотыми включениями. В результате получились нанокомпозиты со структурой типа «ядро-спутник»: кремниевое ядро размером несколько сотен нанометров, декорированное золотыми кластерами с характерными размерами, не превышающими несколько десятков нанометров.

Предложение ученых использовать для абляции не только мишени монокристаллического кремния, но и пористого позволило добиться улучшения распределения нанокомпозитов по размерам: в случае абляции монокристаллического кремния средний размер частиц получался 600 нм с широким распределением по размерам, а в случае пористого кремния — средний размер составил 200 нм, а распределение по размерам стало существенно уже.

Частицы с меньшим размером обладают двумя преимуществами. Во-первых, меньшие частицы легче внедрять в живые организмы. Во-вторых, расчет плазмонного поглощения для ближнего ИК-диапазона (длины волн вблизи 800 нм) показывает, что для полученных наночастиц со средним размером 210 нм реализуются оптимальные условия для нагрева, что практически соответствует случаю абляции пористого кремния, а декорирование золотом обеспечивает дополнительное увеличение эффективности нагрева в 3 раза по сравнению с использованием частиц без декорирования.

«Таким образом мы показали потенциальную возможность улучшить свойства кремниевых наночастиц при использовании нашего метода производства. В дальнейших планах использовать получившиеся нанокомпозиты для лечения раковых опухолей с помощью фотогипертермии», — рассказал Вячеслав Нестеров, аспирант кафедры общей физики и молекулярной электроники.

*Лазерная абляция — выбивание продуктов абляции (атомы, брызги мишени) лазерным излучением. Частицы агломерируют в кремниевые остовы; эффективность агломерации и покрытие группами зависит от того, в каком молекулярном окружении происходит процесс. Изопропиловый спирт выступает как поверхностно активное вещество, которое позволяет ионам золота «прилипать» к частицам кремния. Эффективность процесса зависит от концентрации ионов золота.

*Плазмонное поглощение обусловлено наличием золотых наночастиц (резонансное поглощение в металле происходит в частицах определенного размера по теории Ми).