Наноразмерный кремниевый нагреватель и термометр в одном для борьбы с раком

Физики из Университета ИТМО обнаружили, что сферические кремниевые наночастицы можно эффективно нагревать, и они одновременно излучают свет в зависимости от своей температуры. Эти свойства, вместе с хорошей биосовместимостью, могут найти применение в фотогермической терапии и нанохирургии. Учёные планируют в будущем контролировать нагрев частиц, чтобы избирательно сжигать раковые клетки, не затрагивая здоровые ткани. Результаты опубликованы в престижном журнале Nano Letters.

При фотогермической терапии и нанохирургии в организм вводят наночастицы биосовместимых металлов (например, золота), концентрируют их на опухоли и облучают лазером. Биологические ткани прозрачны для инфракрасного света, но металлические наночастицы хорошо его поглощают и преобразуют в тепло, которое сжигает раковые клетки. Однако измерение локальной температуры золотых наночастиц — крайне сложная задача, и её неправильное выполнение может привести к перегреву и повреждению здоровых тканей.

В новом исследовании показано, что резонансные кремниевые наночастицы нагреваются даже быстрее золотых благодаря лучшим резонансным свойствам и могут сигнализировать о своей температуре, рассеивая свет с разными длинами волн. Этот эффект известен в оптике как комбинационное (рамановское) рассеяние. Причём это рассеяние можно регистрировать без сложных устройств или вакуумных систем, необходимых для захвата сигналов от металлов.

«Золотые наночастицы широко используются в фотогермической терапии, фотохимии и нанохирургии. Но их оптический отклик не даёт информации о том, насколько они нагреты, потому что металлы никогда не переизлучают рамановский световой сигнал. Также было известно, что оптический отклик кремния сильно меняется с температурой. Но никто не предполагал, что кремниевую наночастицу можно использовать как эффективный нагреватель, хотя у неё значительно меньшие оптические потери, чем у золота», — говорит Георгий Зограф, аспирант кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО.

Зная, что оптический отклик кремния сильно зависит от температуры и что он биосовместим, исследователи проверили, насколько эффективно наночастицы нагреваются и как точно можно измерить температуру. Учёные повышали температуру кремниевых наночастиц, освещая их лазером, и регистрировали излучаемый рамановский сигнал, что позволяло одновременно определять температуру.

При этом, в отличие от золотых наносфер, испытанные кремниевые частицы были в четыре раза эффективнее в преобразовании лазерного излучения в тепло. Это позволит менять температуру наночастиц с помощью менее мощного лазерного луча, не нагревая соседние здоровые ткани.

Исследователи считают, что полупроводниковые наночастицы могут стать более дешёвой и безопасной альтернативой металлическим.

«В будущем можно будет с высокой точностью убивать раковые клетки, нагревая их с помощью таких наносистем. Оптический контроль их температуры в реальном времени предотвратит неконтролируемый перегрев здоровых клеток», — заключает Сергей Макаров, старший научный сотрудник кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО.