在微型纳米载体用于高靶向药物递送和环境清理的巨大潜力得以实现之前,科学家首先需要能够看到它们。


目前,研究人员必须依靠将荧光染料或重金属附着在有机纳米载体结构上进行研究,经常在过程中改变它们。一种使用化学敏感的“软”x射线的新技术提供了一种更简单、非破坏性的方式来了解纳米世界。

软X射线方法有望为智能医学带来纳米载体的突破

特殊的X射线颜色会与分子中的键产生共振(此图中显示了甲基)。这使科学家能够选择性地探测胶束纳米载体化学上不同的部分-正在开发与漏油清理相关的智能药物和碳氢化合物螯合。


在《自然通讯》发表的一项研究中,一个研究小组展示了x射线方法在智能药物递送纳米颗粒和聚皂纳米结构上的能力,目的是捕获泄漏在海洋中的原油。


我们已经开发了一种新技术来观察纳米载体的内部结构、化学和环境行为,而不需要任何标记。这是一种迄今为止还不可能实现的新能力,华盛顿州立大学物理学家、该研究的通讯作者布赖恩·柯林斯说,目前,你需要荧光标记来观察纳米载体内部,但这可以改变它们的结构和行为,特别是如果它们是由碳基材料制成的。有了这项新技术,我们已经能够看到这些纳米载体的内部,分析它们的化学特性和浓度,并且在它们完全自然的状态下,包括它们的水环境中做这些工作。


用于药物输送的有机纳米载体通常是由碳基分子制造的,这些分子喜水或憎水。这些所谓的亲水和疏水分子结合在一起,会在水中自组装,憎水部分隐藏在亲水部分的外壳内。

软X射线方法有望为智能医学带来纳米载体的突破

疏水性药物也会将自己插入该结构中,该结构被设计为只在患病环境中打开并释放药物。例如,纳米载体技术有可能让化疗只杀死癌细胞而不使患者生病,从而实现更有效的剂量。


虽然纳米载体可以通过这种方式来制造,但研究人员无法轻易看到其结构的细节,甚至无法知道有多少药物停留在内部或泄漏出去。荧光标签的使用可以突出纳米载体的部分,甚至使它们发光,但在这个过程中,它们也改变了载体,有时是显著的。


相反,Collins和他的同事开发的技术使用软共振x射线来分析纳米载流子。软x射线是一种特殊的光,介于紫外线和硬x射线之间,后者是医生用来检查骨折的光。这些特殊的x射线几乎会被包括空气在内的所有东西吸收,所以这项新技术需要一个高真空环境。


Collins的团队采用软x射线方法来研究可打印的碳基塑料电子元件,这样就可以在这些水基有机纳米载体上工作,通过穿透一薄片水来完成。


每个化学键会吸收不同波长或颜色的软x射线,因此在这项研究中,研究人员选择了不同颜色的x射线,通过其独特的化学键照亮智能药物纳米载体的不同部分。


Collins说,我们基本上调整了x射线的颜色来区分分子中已经存在的化学键。


这使得他们能够评估内核中有多少和什么类型的材料,周围纳米壳的大小和含水量,以及纳米载体如何对变化的环境做出反应。


他们还利用软x射线技术调查了一种聚皂纳米载体,这种载体是用来捕获海洋中泄漏的原油的。聚皂可以从单个分子中生成一种纳米载体,最大限度地利用其表面积捕获碳氢化合物,比如那些在石油泄漏中发现的碳氢化合物。利用这项新技术,研究人员发现,聚皂的开放的海绵状结构可以从高浓度持续到低浓度,这将使其在实际应用中更有效。


研究人员能够近距离检查所有这些结构是很重要的,这样他们就可以避免昂贵的试验和错误,Collins说。


Collins说,这项技术应该能让研究人员评估这些结构在不同环境中的行为。例如,对于智能药物传递,体内可能有不同的温度、pH值和刺激,研究人员想知道,在应用药物的条件合适之前,这些纳米结构是否会保持在一起。如果他们能在开发过程的早期就确定这一点,他们就能在投资耗时的医学研究之前更确定纳米载体是否有效。


Collins说,我们预想,这项新技术将使这些令人兴奋的新技术的设计和开发速度更快、精度更高。


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