Abstrakt

Biotechnologie-Kongress 2015: Goldnanopartikel für biomedizinische Anwendungen – Akbar Vaseghi – Islamische Azad-Universität

Akbar Vaseghi und Reza Ashrafi Parchin

Nanomaterialien, insbesondere Gold-Nanopartikel (GNPs), zeichnen sich durch einzigartige physikochemischen Eigenschaften aus, die für die Diagnose und Behandlung menschlicher Krankheiten äußerst vielversprechend sind. Diese Partikel sind biokompatibel, groß, bieten ein hohes Oberflächen-Volumen-Verhältnis und lassen sich leicht beschreiben oder charakterisieren. Sie sind wenig toxisch, weisen hohe Extinktionskoeffizienten auf, lassen sich einfach synthetisieren und sind gut bekannt für ihre Oberflächenchemie. Sie können schnell und kostengünstig hergestellt werden. Außerdem werden sie aufgrund ihrer einzigartigen optischen Eigenschaften zur Erkennung einer Vielzahl pathogener Mikroorganismen, darunter Bakterien, Viren und Pilze, eingesetzt. Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Synthese von GNPs, die weit verbreitet sind. Eine wichtige Herausforderung in der medizinischen Diagnostik besteht darin, All-in-One-Kontrastmittel zu entwickeln, die mit mehreren Techniken wie Magnetresonanztomographie (MRT), Röntgen-Computertomographie (CT), Photothermische Therapie (PTT), Photodynamische Therapie (PDT), Positronen-Emissions-Tomographie (PET), Einzelphotonen-Emissions-Tomographie (SPECT) oder hocheffizienten Fluoreszenzlöschern (FI) und Quantenpunkten (QDs) qualitativ oder quantitativ nachgewiesen werden können. Gold-Nanosonden haben als neuartige pharmazeutische Verbindungen an Bedeutung gewonnen, die für Bildgebungszwecke und die gezielte Abgabe therapeutischer Frachten in Krebszellen verwendet werden. Zusammengenommen unterstreichen die besonderen Eigenschaften von Nanosonden und ihr vielfältiges Anwendungsspektrum ihre Bedeutung als wertvolle Diagnose- und Therapieinstrumente. Wir haben versucht, Nanochips der nächsten Generation zu entwickeln, indem wir Gold-Nanosonden, insbesondere Gold-Nanopartikel und Nanostäbe, zur Erkennung von Krankheitserregern und Krebszellen verwenden. Zu diesem Zweck haben wir Gold-Nanosonden mit Bio-Barcodes versehen, um Erkennungs- und Therapieziele zu erreichen. Aufgrund der explosionsartigen Zunahme von Veröffentlichungen über die Anwendung von AuNPs beschreiben wir in dieser aktuellen Übersicht jedoch eine Methode zur Quantifizierung der jüngsten Forschungsfortschritte bei Gold-Nanopartikeln. Die laufenden Fortschritte in der Nanotechnologie sind auf die Verbesserung von konstruierten Nanopartikeln zurückzuführen. Tatsächlich werden metallische Nanopartikel häufig für biomedizinische Anwendungen missbraucht, und unter ihnen sind Gold-Nanopartikel (AuNPs) besonders überraschend. Aufgrund ihrer bemerkenswerten Natur ziehen runde und Gold-Nanostäbchen-Nanopartikel (Au NRs) enorme Aufmerksamkeit auf sich. Ihre inhärenten Merkmale, beispielsweise optische, elektronische, physikochemisch und Oberflächenplasmonenreflexion (SPR), die durch Änderung der Beschreibungen der Partikel, beispielsweise Form, Größe, Perspektivenverhältnis oder Zustand, modifiziert werden können; Einfachheit der Mischung und Funktionalisierungseigenschaften haben zu verschiedenen Anwendungen in verschiedenen Bereichen der Biomedizin geführt, beispielsweise Erkennung, gezielte Medikamentenverabreichung, Bildgebung, photothermische und photodynamische Behandlung sowie die Anpassung einiger Anwendungen. Dieser Artikel untersuchte die gängigen AuNPs-Mischtechniken und verwies auf ihre entwickelten Anwendungen in verschiedenen Anfragen.insbesondere in der organischen Detektion. Gold-Nanopartikel (Au NPs) sind vermutlich die vielseitigsten Nanomaterialien, die bisher entwickelt wurden. Jüngste Fortschritte in der Nanofabrikation und der chemischen Synthese haben die Reichweite von Au NPs von herkömmlichen homogenen Nanokügelchen auf eine breite Palette von Mischnanostrukturen mit wählbarer Größe, Form und Anordnung erweitert. Durch die Konstruktion und Strukturierung der Mischnanostrukturen können neuartige physikochemischen Eigenschaften erreicht werden. In dieser Überprüfung diskutieren wir die aktuellen Fortschritte bei der Entwicklung komplexer Mischnanostrukturen und schlagen ein Charakterisierungssystem vor, das auf drei wichtigen physiologischen Parametern (Längenskala, Komplexität und Gleichgewicht) basiert, um die Klassifizierung, Analyse und Planung verschiedener Arten von Au NPs zu erleichtern. Auch ihre Fähigkeiten und ihr Potenzial für biomedizinische Anwendungen werden besprochen, darunter die Diagnostik am Behandlungsort durch modernste optische Spektroskopie und Messungen sowie minimalinvasive Chirurgie und die gezielte Medikamentenverabreichung mit multifunktionalen Nanorobotern. Goldnanopartikel (Au NPs) werden häufig als Partikel mit einer Größe von 1–100 nm definiert,1 die im Subfrequenzbereich von sichtbarem Licht liegen. Aufgrund ihrer einzigartigen physikochemischen Eigenschaften, einschließlich ihrer geringen und anpassbaren Größe, ihrer hohen synthetischen Festigkeit und Biokompatibilität, ihrer Zugänglichkeit durch einfache Fluidphasenmischung und Oberflächenmanipulation sowie ihrer einzigartigen optischen Eigenschaften,2,3 finden sie häufig Anwendung in Wissenschaft und Medizin. Neben ihrer einfachen Masse sind Au NPs für ihre chemische Festigkeit bekannt. Insbesondere sind sie unter physiologischen Bedingungen (einschließlich variablem pH-Wert, Ionenstärke und Temperatur) im Allgemeinen oxidationsbeständig, ohne dass ein nennenswertes Risiko der Freisetzung schädlicher Spezies besteht.4 Gleichzeitig kann die Außenseite von Au-NPs mithilfe der Thiol- oder Aminsynthese problemlos mit einer großen Auswahl an Liganden funktionalisiert werden. Diese beiden Eigenschaften ermöglichen die Verwendung von Au-NPs als ideale nanoskalige Plattform für die Medikamenten- und Farbstoffübertragung zwischen einer Reihe von Nanoträgern.5 Das wichtigste Merkmal, das Au-NPs im biomedizinischen Umfeld von vielen anderen Nanomaterialien unterscheidet, sind jedoch ihre einzigartigen optischen Eigenschaften, die durch ein physikalisches Phänomen namens begrenzte Oberflächenplasmonenreflexion (LSPR)6 zustande kommen, das normalerweise in Nanostrukturen plasmonischer Materialien wie Gold, Silber, Kupfer und Aluminium vorhanden ist. LSPR umfasst bewusstes Schwanken und Erregen von Leitungsbandelektronen auf der Außenseite plasmonischer Nanostrukturen, beispielsweise Au, endlose Lichtversorgung im hellen, offensichtlichen nahen Infrarot (UV-VIS-NIR) geisterhaften Bereich. Im Rahmen der Licht-Materie-InteraktionDie LSPR ist im Allgemeinen stärker als die kleiner Moleküle aufgrund einer besseren Übereinstimmung auf lange Sicht zwischen der Bewegungsdistanz begrenzter Oberflächenplasmonen und der Frequenz von UV-vis-NIR-Licht sowie der enormen Polarisierbarkeit plasmonischer Materialien bei optischer Frequenz. LSPR wird mit einer optischen Nahfeld-Induktion kombiniert, die mit dem Medium interagiert, das ein Nanopartikel umgibt.7 Diese spezielle optische Verbindung beeinflusst das zugehörige Fernfeld-Phantomreflexionssignal und kann gleichzeitig lokal Wärme erzeugen.8 Die starke Verbindung mit Licht erleichtert die Verwendung von Au-NPs als Nano-Empfängerdrähte zur Entdeckung optischer Eigenschaften des nanoskaligen Zustands um die Nanopartikel herum, was zu verschiedenen Arten von Detektionsanwendungen9 sowie für die Nanolithographie10, die photothermische Behandlung4, das Einfangen von Objekten11 und die nanoskalige Anregung durch thermophoretischen Effekt12 führt. Die Bedingungen für die Entwicklung von LSPR sind bekanntermaßen sehr empfindlich gegenüber den dreidimensionalen (3-D) geometrischen Parametern (z. B. Größe, Form und Homogenität), der Materialstruktur und -verteilung innerhalb eines NP sowie der allgemeinen Anordnung der NPs in einer Gruppe oder einem Array.13,14 Insbesondere tritt dipolare LSPR einzelner runder Au-NPs im sichtbaren Bereich von ∼520–540 nm auf und kann verschoben werden auf der NIR-Bereich aufgrund ausgedehnter NPs (z. B. große Formanisotropie) oder Ansammlungen von NPs mit Nano-Spaltung. Dementsprechend können die optischen Eigenschaften von Au-NPs (z. B. Spitzenposition, Bandbreite und Anzahl der Resonanzmodi) durch die Planung und Anpassung der Struktur- und Materialmaße für eine bestimmte biomedizinische Anwendung entwickelt werden. Neben der Anpassung der optischen Eigenschaften kann die Integration anderer funktionaler Materialien in ein Au-NP-Gerüst auch andere physikochemischen Eigenschaften/Funktionalitäten bieten, darunter Anziehung, verbesserte Reaktionsfähigkeit, Antifouling und Zell-Targeting.15–17 Die Kombination von mindestens zwei molekularen Liganden, Polymerbeschichtungen und anorganischen Materialien kann zu multifunktionalen Hybrid-NPs führen, die eine unübertroffene Leistung bei der Anpassung an komplexe Umweltbedingungen zeigen können.die Materialstruktur und -verteilung innerhalb eines NP sowie die allgemeine Anordnung der NPs in einer Gruppe oder einem Array.13,14 Insbesondere tritt die dipolare LSPR einzelner runder Au-NPs im sichtbaren Bereich von ∼520–540 nm auf und kann aufgrund ausgedehnter NPs (z. B. große Formanisotropie) oder Gruppen von NPs mit Nano-Spaltung in den NIR-Bereich verschoben werden. Dementsprechend können die optischen Eigenschaften von Au-NPs (z. B. Spitzenposition, Bandbreite und Anzahl der Resonanzmodi) durch Planung und Anpassung der Material- und Materialmaße für eine bestimmte biomedizinische Anwendung entwickelt werden. Neben den optischen Eigenschaften kann die Integration anderer funktionaler Materialien in ein Au-NP-Gehäuse auch andere physikochemischen Eigenschaften/Funktionalitäten bieten, darunter Anziehung, erhöhte Reaktionsfähigkeit, Antifouling und Zell-Targeting.15–17 Die Kombination von mindestens zwei molekularen Liganden, Polymerbeschichtungen und anorganischen Materialien kann zu multifunktionalen Hybrid-NPs führen, die eine unübertroffene Leistung bei der Anpassung an komplexe organische Bedingungen zeigen können.die Materialstruktur und -verteilung innerhalb eines NP sowie die allgemeine Anordnung der NPs in einer Gruppe oder einem Array.13,14 Insbesondere tritt die dipolare LSPR einzelner runder Au-NPs im sichtbaren Bereich von ∼520–540 nm auf und kann aufgrund ausgedehnter NPs (z. B. große Formanisotropie) oder Gruppen von NPs mit Nano-Spaltung in den NIR-Bereich verschoben werden. Dementsprechend können die optischen Eigenschaften von Au-NPs (z. B. Spitzenposition, Bandbreite und Anzahl der Resonanzmodi) durch Planung und Anpassung der Material- und Materialmaße für eine bestimmte biomedizinische Anwendung entwickelt werden. Neben den optischen Eigenschaften kann die Integration anderer funktionaler Materialien in ein Au-NP-Gehäuse auch andere physikochemischen Eigenschaften/Funktionalitäten bieten, darunter Anziehung, erhöhte Reaktionsfähigkeit, Antifouling und Zell-Targeting.15–17 Die Kombination von mindestens zwei molekularen Liganden, Polymerbeschichtungen und anorganischen Materialien kann zu multifunktionalen Hybrid-NPs führen, die eine unübertroffene Leistung bei der Anpassung an komplexe organische Bedingungen zeigen können.