Исследователи разрабатывают легкий и недорогой метод получения облученных наноалмазов

Исследовательская группа разработала простой и экономичный способ получения облученных наноалмазов и других подобных наноматериалов, которые могут быть использованы в чрезвычайно чувствительной диагностике различных заболеваний, включая различные типы рака.

Нанокристаллы сначала должны быть диспергированы в расплавленном оксиде бора, а затем подвергнуты нейтронному облучению в ядерном реакторе. (Image credit: IOCB Prague)

Исследование возглавлял Петр Сиглер из Института органической химии и биохимии (IOCB Prague), а также Мартин Хруби из Института высокомолекулярной химии (IMC), оба из которых являются частью Чешской академии наук. Недавно была опубликована статья в научном журнале Nature Communications .

Для диагностики заболеваний и определения процессов, происходящих внутри клеток на молекулярном уровне, необходимы чувствительные и селективные диагностические инструменты. Наличие кристаллических дефектов в частицах конкретных неорганических материалов теперь позволило исследователям отслеживать электрические и магнитные поля в ячейках с отличной чувствительностью и разрешением несколько десятков нанометров. Алмаз – почти идеальный материал для таких целей. По сравнению с алмазами, используемыми в ювелирных изделиях, те, которые предназначены для использования в диагностике и наномедицине, такие как наноалмазы, примерно в миллион раз меньше и синтетически созданы из графита при высоких температурах и давлениях.

Тем не менее, чистый наноалмаз не оказывает особого влияния на окружающую среду. Чтобы создать уникальные дефекты – так называемые центры азотной вакансии, которые позволяют получать оптические изображения, кристаллическая решетка наноалмаза должна быть повреждена в регулируемых условиях. Чтобы создать этот ущерб, наноалмазы обычно облучаются быстрыми ионами в ускорителях частиц. Эти ускоренные ионы обладают способностью вытеснять атомы углерода из кристаллической решетки наноалмаза, оставляя за собой дыры, называемые вакансиями, которые впоследствии связываются с атомами азота при экстремальных температурах. Эти атомы азота существуют в кристалле как загрязнители. Созданные таким образом центры вакансий азота являются источником флуоресценции, которые впоследствии могут быть замечены. Эта флуоресценция делает наноалмазы чрезвычайно жизнеспособными для использования в технике и медицине.

Однако, когда дело доходит до применения этих материалов в более широких масштабах, возникает серьезное ограничение, то есть низкая эффективность и высокая стоимость облучения ионов в ускорителе, что предотвращает крупномасштабное производство этой высокоценной материал.

Ученые из ряда исследовательских центров во главе с Мартином Груби и Петром Чиглером опубликовали статью в журнале Nature Communications в которой они объяснили совершенно новый подход к тому, как облучать нанокристаллы. Вместо интенсивного и дорогостоящего облучения в ускорителе исследователи использовали облучение в ядерном реакторе, что не только относительно быстро, но и намного менее дорогостоящее.

Однако это было не так просто. Исследователям приходилось использовать облучение трюком-нейтроном в реакторе, делящем атомы бора на очень быстрые и легкие ионы лития и гелия. Во-первых, нанокристаллы должны быть диспергированы в расплавленном оксиде бора и впоследствии подвергнуты облучению нейтронами внутри ядерного реактора. Когда ядра бора захватывают нейтроны, образуется толстый литий ионов лития и гелия, которые имеют тот же эффект в нанокристаллах, что ионы, созданные в ускорителе частиц: контролируемая генерация дефектов кристалла. Применение реактора для облучения гораздо большего количества материала в сочетании с высокой плотностью ливня частиц означает, что он намного экономичнее и проще создавать десятки граммов редкого наноматериала одновременно, что примерно в тысячу раз больше, чем исследователи до сих пор удалось добиться за счет подобного облучения в ускорителях.

Показано, что метод эффективен в создании дефектов в кристаллической решетке наноалмазов, а также в карбиде кремния – другом наноматериале. По этой причине исследователи предположили, что новый метод может широко использоваться при крупномасштабном развитии наночастиц, которые определили дефекты.

В последнем подходе используется принцип, используемый в терапии захвата нейтронов бором, или BNCT, в котором борное соединение вводится пациентам. После того, как это соединение собралось в опухоль, пациенты подвергаются лучевой терапии нейтронами, которые делят ядра бора на ионы лития и гелия. Эти ионы впоследствии убивают раковые опухолевые клетки, которые были накоплены бором. До сих пор этот принцип, взятый из экспериментальной терапии рака, открывает новые возможности для эффективного развития наноматериалов, которые имеют уникальный потенциал для использования в диагностике рака, среди других областей.

Source link