软X射线方法有望在智能医学和环境清洁方面取得纳米载体的突破

2022-05-12 微视博客

目前，研究人员不得不依靠附加荧光染料或重金属来标记有机纳米载体结构的一部分以进行研究，并且经常在此过程中改变它们。一种使用化学敏感“软”X 射线的新技术提供了一种更简单、无干扰的方式来深入了解这个纳米世界。

软 X 射线使研究人员能够研究纳米载体结构

特殊的 X 射线颜色与分子中的键产生共振（此图中描绘了甲基）。这使科学家能够选择性地探测胶束纳米载体的化学不同部分——正在开发用于与溢油清理相关的智能药物和碳氢化合物封存。来源：华盛顿州立大学

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在实现高度靶向药物输送和环境清洁的微小纳米载体的巨大潜力之前，科学家们首先需要能够看到它们。

在Nature Communications发表的一项研究中，一个研究小组展示了 X 射线方法对智能药物递送纳米颗粒和旨在捕获泄漏在海洋中的原油的聚皂纳米结构的能力。

“我们开发了一种新技术，无需任何标记即可观察纳米载体的内部结构、化学和环境行为——这是迄今为止不可能实现的新能力，”华盛顿州立大学物理学家兼通讯作者布莱恩·柯林斯 (Brian Collins) 说。研究。“目前，你需要荧光标签才能看到纳米载体的内部，但这会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。借助这项新技术，我们已经能够观察这些纳米载体的内部，分析它们的化学特性和浓度——并在它们完全自然的状态下进行这一切，包括它们的水环境。”

用于药物输送的有机纳米载体通常由碳基分子制成，这些分子要么喜欢水，要么讨厌水。这些所谓的亲水分子和疏水分子结合在一起，将在水中自组装，而憎水部分隐藏在喜水片段的外壳内。

疏水性药物也会将自身插入结构中，该结构旨在仅在患病环境中打开和释放药物。例如，纳米载体技术有可能允许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。

虽然可以通过这种方式制造纳米载体，但研究人员无法轻易看到其结构的细节，甚至无法看到有多少药物留在内部或泄漏出来。荧光标记的使用可以突出纳米载体的某些部分——甚至使它们闪烁——但它们也会在这个过程中改变载体，有时甚至是显着的。

相反，柯林斯和他的同事开发的技术使用软共振 X 射线来分析纳米载体。软 X 射线是介于紫外线和硬 X 射线之间的一种特殊光线，是医生用来观察骨折的那种。这些特殊的 X 射线几乎被包括空气在内的所有物体吸收，因此这项新技术需要高真空环境。

柯林斯的团队采用了一种软 X 射线方法来研究可打印的碳基塑料电子产品，以便它可以在这些水基有机纳米载体上工作——穿透一小片水来做到这一点。

每个化学键都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 X 射线颜色，通过它们独特的键来照亮智能药物纳米载体的不同部分。

“我们基本上调整了 X 射线颜色以区分分子中已经存在的键，”柯林斯说。

这使他们能够评估其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，以及纳米载体如何响应不断变化的环境。

他们还使用软 X 射线技术研究了一种聚皂纳米载体，该载体是为捕获泄漏在海洋中的原油而开发的。Polysoaps 可以从单个分子中产生纳米载体，最大限度地增加其表面积以捕获碳氢化合物，例如石油泄漏中发现的碳氢化合物。使用这项新技术，研究人员发现聚皂的开放海绵状结构可以从高浓度到低浓度持续存在，这将使其在实际应用中更有效。

“对于研究人员来说，能够近距离检查所有这些结构非常重要，这样他们就可以避免代价高昂的反复试验，”柯林斯说。

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柯林斯说，这项技术应该允许研究人员评估这些结构在不同环境中的行为。例如，对于智能药物输送，体内可能有不同的温度、pH 水平和刺激，研究人员想知道纳米结构是否保持在一起，直到条件适合应用药物。如果他们能够在开发过程的早期确定这一点，他们就可以更确定纳米载体在投入时间密集型医学研究之前会发挥作用。

柯林斯说：“我们设想，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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