Исследователи из Китая впервые смогли получить полые сферические фотонные кристаллы и разработали методику синтеза таких частиц с разнообразным набором свойств. Авторы считают, что их изобретение может расширить возможности применяемых сейчас биомедицинских «маркеров». Работа опубликована в журнале JACS.
Разнообразие цветов наноматериалов и их зависимость от параметров частиц используется в медицине для создания светящихся«маркеров». Если прикрепить к поверхности наночастиц специфичные к определенным клеткам антитела, цветные «метки» соберутся преимущественно вокруг этих клеток. Таким образом, можно, например, легко отличить в сложной смеси отдельные виды бактерий или клеточных культур. В настоящее время для этого широко используются квантовые точки – полупроводниковые нанокристаллы, цвет которых сильно зависит от их размера.
Изображение различных типов полученных фотонных кристаллов, отличающихся цветом, размером и количеством внутренних полостей. Изображение: Luoran Shang et al. / JACS, 2015
В качестве «маркеров» могут выступать и так называемые фотонные кристаллы. Это материалы, в которых показатель преломления изменяется периодически,причем этот период сравним с длиной волны света. Из-за своего внутреннего строения в фотонном кристалле могут распространяться электромагнитные волны только определенной длины. Материал, таким образом,выступает в роли оптического фильтра, а его цвет зависит от размера частиц, из которых он состоит. Например, природным фотонным кристаллом является опал – в нем сферы из диоксида кремния диаметром несколько сотен нанометров упакованы в периодическую структуру, что обуславливает его оптические свойства.
Слева – СЭМ изображение упорядоченной структуры полого фотонного кристалла. Справа – применение «пузырей» для выращивания культуры клеток (зеленые сферы внизу – с прикрепленными клетками). Изображение: Luoran Shang et al. / JACS, 2015
Авторы работы утверждают,что им впервые удалось получить полые сферические фотонные кристаллы с помощью разработанной ими сложной многостадийной методики синтеза. Способ получения позволяет контролировать цвет, состав и размеры частиц, а также количество внутренних полостей в очень узких пределах. Ученые считают,что благодаря большому количеству изменяемых параметров их изобретение позволит легко анализировать биологические смеси с большим количеством компонентов.
Устройство для получения содержит систему трех вложенных капилляров разного диаметра. Из каждого капилляра подавали определенную жидкость. Из центрального – водный раствор с наночастицами полистирола, из среднего – маслянистую жидкость (фотоотверждаемый реагент и фотоинициатор), и из внешнего снова водный раствор.
Сначала вытекающая из центрального капилляра вода попадала в маслянистую жидкость – в результате образовывались маленькие шарики «масла» в воде. Затем смесь из среднего капилляра попадала в водный раствор из внешнего. И там происходило то же самое – «масло», в котором находились водяные шарики, также стремилось принять сферическую форму. В итоге на выходе из внешнего капилляра ученые получали сферические «масляные» частицы с внутренней полостью, в которой находился шарик воды.
Вверху – схема получения с использованием системы вложенных капилляров. Внизу – процесс образования внутреннего пузыря и фотонного кристалла. Изображение: Luoran Shang et al. / JACS, 2015
Но состав этих «масляных» и «водяных» шариков гораздо сложнее, чем описано выше, и каждый реагент был добавлен с определенной целью. Освещая полученную суспензию ультрафиолетовым светом, «масляная» смесь из фотоотверждаемой смолы и фотоинициатора затвердевала, образуя пористую полупроницаемую оболочку, внутри которой оставалось жидкое ядро с наночастицами полистирола. Затем эти полутвердые шарики помещали в раствор этанола, который позволял «извлекать» из них воду: из-за наличия сильного градиента концентраций вода стремилась выйти наружу. Состав внешней мембраны обеспечивал ее избирательную проницаемость, из-за чего вода могла проникать наружу, а этанол внутрь – нет.
Когда давление воды внутри шарика достигало критического значения, происходило ее резкое испарение, и образовывался пузырь пара. Выходящая из шарика вода также увлекала за собой наночастицы полистирола. Они концентрировались вблизи внешней полимерной оболочки, образуя упорядоченную структуру. Эта упорядоченная структура и является фотонным кристаллом. В работе использовались наночастицы полистирола диаметром 190, 205, 215, 230, 240, 270, и 290 нм и их комбинации, что объясняет разнообразную окраску полученных «пузырей».
В результате авторам работы удалось получить многослойные сферические частицы. Внешняя оболочка представляла собой полупроницаемую полимерную мембрану, средняя – упорядоченные частицы полистирола (фотонный кристалл), а в центре – пузырь из водяного пара. Регулируя скорость подачи жидкостей, состав водной и масляной фаз или немного усложняя конструкцию из капилляров, ученые смогли получить частицы с различным количеством пузырей внутри и разными добавками.
Авторы провели ряд экспериментов, которые демонстрируют возможные области применения их изобретения. Прикрепив к поверхности сфер разного цвета разные антитела, можно легко различить бактерии или вирусы по цвету «пузырей»,вокруг которых они будут собираться. Используя частицы, с включениями магнитных материалов, их можно также перемещать в растворе и избирательно извлекать из смеси.
Ограничением фотонных «пузырей» является их размер – от десятков до сотен микрометров (для сравнения, квантовые точки – единицы-десятки нанометров). Поэтому, их использование для диагностики заболеваний непосредственно в живом организме, в отличие от квантовых точек, затруднено. Однако в некоторых случаях размер микросфер может выступать как преимущество – модифицировав внешнюю поверхность питательными средами, их можно использовать для выращивания клеточных культур. За счет «пузыря» сферы не оседают на дно, а легко плавают по всему объему жидкости.
Автор: Екатерина Митрофанова
