Ezüst nanoanyagok: Nano nanorészecskék: Tulajdonságok és alkalmazások

Steven J. Oldenburg, Ph. D., President,

nanoComposix, Inc. San Diego, California 92111

Bővebben

• Bevezetés
• Morfológia és felületi funkcionalizáció
• Optikai tulajdonságok
• Antimikrobiális tulajdonságok
• Tagging és célzás a bioképalkotáshoz<./li>
• Summary
• Referenciák

Bevezetés

Az ezüst nanoanyagok egyedülálló fizikai, kémiai és optikai tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyeket számos alkalmazásban hasznosítanak. Az ezüst mint széles körű antimikrobiális szer hasznossága iránti újraéledő érdeklődés több száz olyan termék kifejlesztéséhez vezetett, amelyek ezüst nanorészecskéket tartalmaznak a felületeken és a ruházatban lévő baktériumok szaporodásának megakadályozására. Az ezüst nanorészecskék optikai tulajdonságai azért érdekesek, mert az ezüst nanorészecskék erősen kapcsolódnak a beeső fény bizonyos hullámhosszaihoz. Ez hangolható optikai választ ad nekik, és felhasználható ultrafényes riportmolekulák, nagy hatékonyságú hőelnyelők és olyan nanoméretű "antennák" kifejlesztésére, amelyek a helyi elektromágneses mező erősségét felerősítve érzékelik a nanorészecskék környezetében bekövetkező változásokat. Itt összefoglaljuk, hogy az ezüst nanorészecskék méretének és alakjának pontos megtervezése milyen fontos az alkalmazások széles köre számára.

Morfológia és felületfunkcionalizálás

Az ezüst nanoanyag előállítása során a reakciókörülmények úgy hangolhatók, hogy különböző morfológiájú kolloid ezüst nanorészecskéket állítsanak elő, beleértve a monodiszperz nanogömböket, háromszög alakú prizmákat vagy nanoplate-eket, kockákat, drótokat és nanorudakat (1. ábra). Számos alkalmazás esetében a felületi kémiát, a morfológiát és az egyes nanorészecske-változatokhoz kapcsolódó optikai tulajdonságokat gondosan meg kell választani ahhoz, hogy a célkörnyezetben a kívánt funkcionalitást elérjük. A részecskék felületi kémiája, azaz a részecskéket bevonó fedőanyagok kötőereje, funkcionális csoportjai és mérete változtatható, hogy a részecskék viselkedését további szinten lehessen szabályozni. Vizes közegben sok nanorészecske elektrosztatikusan stabilizálódik a részecskék felületén lévő töltött fajok hozzáadásával. Az ezüst nanorészecskék felületi töltése szabályozható a részecskék citrátionokkal való bevonásával, hogy erős negatív töltést biztosítsanak. Alternatív megoldásként a citrátionok elágazó polietiléniminre (BPEI) való cseréje amin-sűrű felületet hoz létre, erősen pozitív töltéssel. Más fedőanyagok további funkcionalitást biztosítanak: a polietilénglikollal (PEG) bevont nanorészecskék jó stabilitást mutatnak magas sókoncentrációjú oldatokban, míg a liponsavval bevont részecskék olyan karboxilcsoportokat tartalmaznak, amelyek biokonjugációra használhatók.

1. ábra. Transzmissziós elektronmikroszkópos felvételek, amelyek az ezüst nanoanyagok oldatfázisú szintézise során a reakció kémiai és kinetikai szabályozásával elérhető méret- és morfológiai változatosságot mutatják: (balról jobbra) egyenletes, 50 nm átmérőjű gömbök, 75 nm-es kockák, 120 nm-es háromszög alakú nanoplate-ok és ezüst nanodrótok.

Optikai tulajdonságok

Az ezüst és más nemesfém nanorészecskék erős kölcsönhatást mutatnak a fénnyel, ami azért következik be, mert a fém felületén lévő vezetési elektronok kollektív rezgésbe kerülnek, amikor meghatározott hullámhosszúságú fény gerjeszti őket. Ez a rezgés, amelyet felületi plazmon-rezonanciának (SPR) neveznek, az ezüst nanorészecskék abszorpciós és szórási intenzitását sokkal nagyobbnak okozza, mint az azonos méretű, nem plazmonikus nanorészecskékét. Az ezüst nanorészecskék abszorpciós és szórási tulajdonságai a részecskék méretének, alakjának és a részecskefelület közelében lévő helyi törésmutatónak a szabályozásával hangolhatók.

A elnyelési spektrumát különböző méretű ezüst nanogömbök és nanoplate-ok, valamint a nanorészecskék híg diszperzióinak megjelenését mutatja a 2. ábra. A kisebb nanogömbök elsősorban elnyelik a fényt, és plazmon-rezonancia-csúcsai 400 nm közelében vannak, míg a nagyobb gömbök fokozott szórást mutatnak, és a csúcsok kiszélesednek és a hosszabb hullámhosszak felé tolódnak el. Az ezüst nanorészecskék anizotróp alakjuk miatt rendkívül nagy abszorpciós és szórási keresztmetszettel rendelkeznek a spektrum látható és közeli infravörös tartományában. A lemez átmérőjének és vastagságának pontos szabályozásával a plazmon-rezonancia úgy hangolható, hogy az adott hullámhosszakon tetőzzön (2. ábra).

2. ábra. A 10 és 100 nm közötti átmérőjű ezüst nanogömbök (fent) és az 50 és 150 nm közötti átmérőjű ezüst nanoplate-ok (lent) kiválasztott optikai extinkciós spektrumai és az oldat megjelenése. A nanorészecskék alakjának és méretének szabályozása lehetővé teszi a plazmon-rezonancia hangolását a spektrum látható és közeli infravörös tartományában.

Anti-mikrobiális tulajdonságok

Az ezüstionok hatékony antimikrobiális hatásúak, mivel kölcsönhatásba lépnek a létfontosságú bakteriális enzimek és fehérjék tiolcsoportjaival, befolyásolva a sejtlégzést, ami sejthalált eredményez. A baktériumokra gyakorolt specifikus toxicitás az emberre gyakorolt alacsony toxicitás fenntartása mellett vezetett az ezüst beépítéséhez számos termékbe, beleértve a sebkötszereket, csomagolóanyagokat és a szennyeződések elleni felületi bevonatokat.

Az ezüst nanorészecskék antimikrobiális hatásának központi mechanizmusa egyszerűen az ezüstionok nagy felületű forrásaként működik; vizes környezetben a részecskék oxigén és protonok jelenlétében oxidálódnak, és a részecskék felszínének feloldódásával Ag⁺ ionokat szabadítanak fel. Az ezüst nanorészecskék hosszú távú antimikrobiális hatékonyságának alapja az ezüstionok hatékony koncentrációjának fenntartása a legkülönbözőbb oldatokban. Az ezüstionok felszabadulási sebessége számos tényezőtől függ, beleértve a méretet, az alakot, a fedőanyagot, az aggregációs állapotot és a környezetet. A kisméretű vagy anizotróp ezüst nanorészecskék jellemzően a leggyorsabb ionfelszabadulási sebességgel rendelkeznek, ami az erősen ívelt vagy feszített nanorészecskefelületek magas felületi energiájának köszönhető.  A nanorészecskék környezete szintén kritikus, a megemelkedett hőmérséklet, a klór, a tiolok és az oxigén jelenléte mind erősen befolyásolja az ionfelszabadulást.

Tagging and Targeting for Bioimaging

Az ezüst nanorészecskék rendkívüli hatékonysággal elnyelik és szórják a fényt, és a tagging és képalkotó alkalmazásokban használják őket. A nanorészecskék nagy szórási keresztmetszete lehetővé teszi, hogy az egyes ezüst nanorészecskék sötétmező-mikroszkópia (3. ábra) vagy hiperspektrális képalkotó rendszerek segítségével képet kapjanak. Az ezüst nanorészecskék felületéhez biomolekulákat, például antitesteket vagy peptideket kapcsolva az ezüst nanorészecskék célzottan, meghatározott sejtekre vagy sejtkomponensekre irányíthatók. A célzott molekulák felülethez való kötése történhet a nanorészecskék felületére történő fizikai felszívódás útján vagy kovalens csatolással, például etil(dimetilaminopropil)karbodiimid (EDC) alkalmazásával az antitest szabad aminjainak a liponsavval fedett nanorészecskéken lévő karboxilcsoportokhoz való kötése révén.

3. ábra. Sötétmező-mikroszkópos felvételek (balról jobbra) 60 nm átmérőjű ezüst nanogömbökről, 75 nm átmérőjű ezüst nanokockákról és 100 nm átmérőjű ezüst nanokockákról, szemléltetve az ezüst nanorészecskék szórási színének méret és alak alapján történő beállítását.

Az ezüst nanorészecskék egyéb biológiai alkalmazásai az ezüst nanorészecskék felületén és a felszín közelében lévő fokozott elektromágneses mező kihasználásán alapulnak. A plazmon-rezonáns hullámhosszon az ezüst nanorészecskék nanoszintű antennaként működnek, növelve a helyi elektromágneses tér intenzitását.

A fokozott elektromágneses mezőkből profitáló egyik spektroszkópiai technika a Raman-spektroszkópia, ahol a molekulák egyedi rezgési módusaik alapján azonosíthatók.  Míg a fotonok molekulákból történő saját Raman-szórásai gyengék, és hosszú mérési időt igényelnek a Raman-spektrum kinyeréséhez, a plazmonikus ezüst nanorészecskék felületének közelében lévő molekulákból származó felületerősített Raman-szórás (SERS) jelentősen megnövelt Raman-jeleket kínál. A SERS-effektus akár 14 nagyságrenddel is felerősítheti a kötött molekulák Raman-szórását, így akár egyetlen molekula kimutatását is lehetővé teszi.

Ez a fokozott térhatás kihasználható az ezüst nanorészecske felületétől rövid távolságra elhelyezett fluorofórral is, ami a felület által erősített fluoreszcencia (SEF) néven ismert jelenséget eredményez, és potenciálisan nagyságrendekkel megnöveli a fluorofór emissziójának intenzitását. A fluorofór erősödése két hatásnak tulajdonítható: 1) a beérkező fény fókuszálása a plazmonikus részecske nagy abszorpciós és szórási keresztmetszete miatt, és 2) a fluorofór fluoreszcencia-élettartamának csökkenése, amely lehetővé teszi, hogy a gerjesztett állapot magasabb frekvencián térjen vissza az alapállapotba.  Ezek a hatások erősen függnek a fluorofór és a nanorészecske optikai tulajdonságainak átfedésétől, valamint a fluorofór fizikai elhelyezkedésétől a részecske körül.

A 4. ábra A 4. ábra szemlélteti a festékmolekula optimális SERS- és SEF-hatásának eléréséhez szükséges különböző rögzítési stratégiákat. A festékmolekula fém nanorészecskéhez való rögzítése jellemzően a fluorofór gerjesztett állapota és a fém elektronállapotai közötti energiaátvitel miatt az emisszió elfojtását eredményezi.  A molekula Raman-spektruma azonban erősen felerősödik a részecske felületén lévő nagy elektromágneses tér miatt (4. ábra, A). A fluorofórnak a részecske felületétől kissé távolabb helyezése megakadályozza a fluoreszcencia kioltását, de megtartja a magas helyi elektromágneses teret, ami a molekula fotoemissziójának nagymértékű növekedését eredményezi.

4. ábra. (A) A közvetlenül fémszubsztrátra rögzített szerves fluorofór jellemzően csillapított fluoreszcenciával, de erős felületi erősített Raman-spektrummal rendelkezik. (B) A fluorofórnak a fémfelülettől való eltávolítása felületi erősített fluoreszcenciát eredményez.

Nanomedicina és nanotoxikológia

Az ezüst nanorészecskék alkalmazása a in-vitro és in-vivo alkalmazásokban gyorsan növekszik. Az ezüst nanorészecskén alapuló címkézés és nanocímkék mellett az ezüst nanorészecskék egyéb alkalmazásai közé tartozik a hipertermia hőforrásaként való felhasználás és a részecskék felületi bevonatából történő hőszabályozott felszabadulás. Az ezüst nanorészecskék mag/héj szerkezetekbe is beépíthetők, amelyekben az amorf szilícium-dioxid héjat egyenletesen az ezüst nanorészecske magokra növesztik. A héjba különböző funkcionális csoportok konjugálhatók, így fluorofórákat, gyógyszermolekulákat vagy más nagy molekulatömegű szerves molekulákat lehet a héjba integrálni jelölési vagy gyógyszeradagolási alkalmazásokhoz.

Az ezüst nanorészecskék jövőbeli orvosbiológiai alkalmazásai közül sok esetben szükséges a nanorészecskék biológiai rendszerekkel való kölcsönhatásának pontos megértése. A in-vivo alkalmazások esetében az egyik legnagyobb kihívást a hosszú keringési idejű és alacsony toxicitású részecskék megtervezése jelenti.  A nanorészecskék teljesítményének optimalizálására irányuló kísérleteket a in-vivo rendszerekben mind maguk a nanorészecskék, mind a környezetük összetettsége bonyolítja. A nanorészecskék biológiai sorsa és transzportja nemcsak a részecskék elsődleges jellemzőitől függ (pl. a mag kémiai összetétele, mérete, alakja, kristályossága, felülete és aggregációs állapota), hanem olyan másodlagos jellemzőktől is, amelyek a nanorészecskék és a biológiai célrendszerek kölcsönhatásán alapulnak (pl.pl. fehérjekorona, oldódási sebesség, biodisztribúció).

Összefoglaló

Az ezüst nanorészecskék egyedülálló optikai és széles körű antimikrobiális tulajdonságai az ezüst nanorészecskék biológiai alkalmazásokba történő beépítésének gyors növekedéséhez vezettek. Az ezüst nanorészecskék méretének, alakjának és felületének beállítására rendelkezésre álló nagyfokú kontroll nagy teljesítményű könyvtárat biztosít nem csak a biológiai alkalmazásokhoz szükséges funkcionális anyagok előállításához, hanem a nanorészecskék biológiai rendszerekben történő szállításának és kölcsönhatásának alapvető mechanizmusainak megértéséhez is. Ez a megértés, valamint az összetettebb, többfunkciós ezüst nanokompozitok előállítása lehetővé teszi az ezüst nanorészecske alapú szondák, eszközök és terápiák következő generációját.

Az anyagtudományi portfóliónk jól jellemzett, különböző felületi funkcionalizációkkal rendelkező ezüst nanoanyagok (nanorészecskék, nanogömbök, nanoplate-ek stb.) széles választékát kínálja, amelyek alkalmasak biomedicinális alkalmazásra.

Hivatkozások

1. Rai M, Yadav A, Gade A. 2009. Silver nanoparticles as a new generation of antimicrobials. Biotechnology Advances. 27(1):76-83. https://doi.org/10.1016/j.biotechadv.2008.09.002

2. Marambio-Jones C, Hoek EMV. 2010. A review of the antibacterial effects of silver nanomaterials and potential implications for human health and the environment. J Nanopart Res. 12(5):1531-1551. https://doi.org/10.1007/s11051-010-9900-y

3. Sondi I, Salopek-Sondi B. 2004. Silver nanoparticles as antimicrobial agent: a case study on E. coli as a model for Gram-negative bacteria. Journal of Colloid and Interface Science. 275(1):177-182. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2004.02.012

4. Kim JS, Kuk E, Yu KN, Kim J, Park SJ, Lee HJ, Kim SH, Park YK, Park YH, Hwang C, et al. 2007. Antimicrobial effects of silver nanoparticles. Nanomedicine: Nanotechnology, Biology and Medicine. 3(1):95-101. https://doi.org/10.1016/j.nano.2006.12.001

5. Carlson C, Hussain SM, Schrand AM, K. Braydich-Stolle L, Hess KL, Jones RL, Schlager JJ. 2008. Unique Cellular Interaction of Silver Nanoparticles: Size-Dependent Generation of Reactive Oxygen Species. J. Phys. Chem. B. 112(43):13608-13619. https://doi.org/10.1021/jp712087m

6. Moskovits M. 1978. Surface roughness and the enhanced intensity of Raman scattering by molecules adsorbed on metals. The Journal of Chemical Physics. 69(9):4159-4161. https://doi.org/10.1063/1.437095

7. Kneipp K, Wang Y, Kneipp H, Perelman LT, Itzkan I, Dasari RR, Feld MS. Single Molecule Detection Using Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS). Phys. Rev. Lett.. 78(9):1667-1670. https://doi.org/10.1103/physrevlett.78.1667

8. Geddes CD, Lakowicz JR. 2002. 12(2):121-129. https://doi.org/10.1023/a:1016875709579

9. Powers KW, Palazuelos M, Moudgil BM, Roberts SM. 2007. Characterization of the size, shape, and state of dispersion of nanoparticles for toxicological studies. Nanotoxicology. 1(1):42-51. https://doi.org/10.1080/17435390701314902