Проложить маршрут лекарству, смоделировав оптический отклик полых наночастиц

Международная команда ученых изучает резонансные свойства наночастиц со сферической полостью внутри. Предложенная теоретическая модель помогает их точно рассчитать и описать. Это вклад в развитие наноплазмоники, которая имеет широкое прикладное значение в медицине, химии, тераностике. Полые наночастицы можно использовать в качестве безопасных «контейнеров», чтобы «упаковать» лекарственный препарат.

Образование резонансных мод в «пустых» наночастицах описывается методами классической оптики, но при моделировании вызывает определенные сложности, связанные с их размерными, морфологическими и структурными характеристиками. Однако, полые наноструктуры выполняют важную роль в медицинских приложениях и, поэтому остается актуальным вопрос поиска способа и метода определения оптических свойств в этих частицах.  

Отечественные исследователи в сотрудничестве с зарубежными коллегами детально изучают наноструктуры с особыми плазмонными свойствами. Опираясь на разработанную ранее дискретную атомистическую модель, которая описывает эти плазмонные возбуждения в полых наночастицах, ученые проверяют, от чего зависит положение оптических резонансов. Сравнение с классической электродинамической  моделью Ми подтвердило преимущества модели атомарного взаимодействия для описания оптических свойств наночастиц размером 1-15 нм и позволило рекомендовать их применение в качестве безопасных «контейнеров» для доставки лекарственных препаратов в организм человека.

Международный коллектив ученых из России, Швеции и США возглавил профессор Королевского технологического института Ханс Огрен. Разработкой модели ex-DIM занимались сотрудники Королевского технологического института доктор Лассе Соренсен и доктор Зилвинас Ринкявичус. За теоретические расчеты отвечали российские специалисты Вадим Закомирный (со стороны атомистического моделирования ex-DIM) и Илья Рассказов (со стороны теории Ми) под руководством профессора Скота Карни из Рочестерского университета (Нью-Йорк, США).

Статья, в которой представлена авторская модель и точные расчеты научной команды, недавно опубликована в престижном научном журнале Physical Chemistry Chemical Physics (V. I. ZAKOMIRNYI, I. L. RASSKAZOV, L. K. SØRENSEN, P. S. CARNEY, Z. RINKEVICIUS, H. ÅGREN, "PLASMONIC NANO-SHELLS: ATOMISTIC DISCRETE INTERACTION VERSUS CLASSIC ELECTRODYNAMICS MODELS", PHYSICAL CHEMISTRY CHEMICAL PHYSICS, VOL. 22(24) PP. 13467-13473).

Один из соавторов работы – Вадим Закомирный – кандидат физико-математических наук (в прошлом году  защитил степень PhD  по совместной программе Сибирского федерального университета и Королевского технологического института (Стокгольм, Швеция)),  младший научный сотрудник лаборатории нелинейной оптики и спектроскопии Сибирского федерального университета (СФУ) (г. Красноярск), младший научный сотрудник Института вычислительного моделирования Сибирского отделения Российской академии наук (ИВМ СО РАН) (г. Красноярск) рассказал о  ключевых аспектах коллективной работы физиков-теоретиков, в частности, пояснил, что представляет  собой  «плазмонный резонанс» в сферических нанооболочках,  как  авторская модель атомарного взаимодействия помогает  смоделировать их резонансные свойства  и  как  учет оптических свойств таких полых наночастиц  используется в  медицинских приложениях.

Прежде всего, Вадим Закомирный уточнил, почему важно изучение оптических свойств наноструктур со сферической полостью внутри:

«Большинство теоретических и экспериментальных исследований в фотонике преследуют одну единственную цель – облегчить жизнь людей. Одни группы заинтересованы в моделировании неизвестных ранее оптических эффектов для создания новых фотонных устройств, например универсальные сенсоры, оптические фильтры, увеличение эффективности солнечных батарей и так далее. Другие группы больше заинтересованы в применении своих знаний в области современной биомедицины, химии и в других «науках о жизни». Наше исследование мы относим ко второй группе. Около полутора десятков лет назад, с развитием экспериментальной базы, произошел большой скачок в области фотоники/плазмоники. Благодаря этому появились идеи о возможности применения металлических наночастиц для фототермальной терапии раковых клеток. Эта технология позволяет поместить наночастицы рядом с больными клетками, затем нагреть наночастицы и уничтожить раковые клетки тепловым воздействием. Второе интересное направление здесь – это адресная доставка лекарственных средств. Для этого внутрь наночастицы запаковывается активное вещество, наночастицы доставляются до целевых тканей и разрушаются, высвобождая биологические материалы в строго определенных местах. Улучшение этой технологии и было целью нашего исследования».

Что представляют собой гибридизированные плазмонные моды в «пустых» наночастицах и почему их трудно смоделировать?

«Гибридизированные плазмонные моды в «пустых» наночастицах, или, другими словами, «нанооболочках», представляют собой колебания свободных электронов на поверхности наночастицы. При облучении наночастиц лазером на определенных длинах волн эти колебания входят в резонанс, что проявляется в усиленном поглощении внешнего излучения такими наночастицами. По сути, это явление и называется «плазмонный резонанс». Однако, в нанооболочках плазмонный резонанс имеет свои особенности. Благодаря пустоте внутри наночастицы, мы видим проявление двух плазмонных резонансов, в то время как обычные наночастицы без полостей внутри имеют только один резонанс. Классические модели для симуляции оптических свойств наночастиц хорошо справляются со сферическими наночастицами. Однако, наличие пустоты внутри является особым случаем для таких моделей. А вот моделирование несферических частиц, например, с несферическими или находящимися не в центре наночастицы полостями, является крайне сложным случаем, и, зачастую, просто невозможно с использованием существующих методов», – поясняет Вадим Закомирный.

Ученые разработали новую атомистическую модель, известную как расширенная модель дискретного взаимодействия (ex-DIM). Для чего она предназначена и что позволяет описать/определить? Насколько надежны и эффективны результаты, полученные на основе этой модели?

«Да, действительно, недавно наша группа сформулировала и разработала модель расширенного дискретного взаимодействия (extended Discrete Interaction Model – ex-DIM). Если кратко, данная модель позволяет рассчитывать оптические свойства металлических наночастиц с атомным разрешением (см Рис. 1). Объектом исследования может быть наночастица с почти произвольной формой. Положения атомов задаются в соответствии с реально существующими в природе наночастицами. В недавних статьях мы провели глубокое исследование нашей модели и представили ряд сравнений как с более классическими подходами к описанию оптических свойств наночастиц, так и с экспериментальными данными. На сегодняшний момент, можно утверждать, что очень мало групп в мире могут похвастаться такой точностью расчетов», – убежден Вадим Закомирный.

Специалисты провели сравнительный анализ двух теоретических моделей (Mie и ex-DIM). Что он показал и каковы существенные различия, ученый СФУ разъяснил:

«Теория Ми (Mie theory) является «золотым стандартом», если речь заходит об описании оптических свойств наночастиц с размерами от десятка до сотен нанометров. С некоторыми доработками и математическими приемами модель может быть применена для цилиндров и сфероидов или пустых наночастиц (см. Рис. 2).... Тем не менее, эта модель абсолютно неприменима для несферических объектов. С другой стороны, как уже было сказано раньше, модель ex-DIM не имеет вышеупомянутых ограничений. До тех пор, пока мы имеем дело с физически возможными структурами, мы можем симулировать их оптический отклик. Более того, теория Ми имеет некоторые ограничения на размер исследуемой наночастицы – для очень маленьких наночастиц (1-15нм) влияние размерных поправок становится непредсказуемо высоким. Модель ex-DIM была специально создана для описания оптических свойств наночастиц в этом диапазоне размеров».

Каково положение оптических резонансов в зависимости от полного размера наночастицы и толщины её оболочки?

«Мы провели систематические исследования положения плазмонных резонансов в зависимости от полного размера наночастицы и толщины оболочки. Представленные данные помогут экспериментаторам «подстроить» наночастицы таким образом, чтобы получить резонанс на любой длине волны как в оптическом диапазоне длин волн, так и в ближнем инфракрасном диапазоне. Это открывает широкие перспективы для использования таких наночастиц в биологии – как известно, биологические ткани имеют так называемое «окно прозрачности» на границе видимого и ближнего ИК дипазонах. Таким образом, при определенном размере наночастиц и полостей внутри живые ткани не будут поглощать лазерный импульс, а наночастицы будут», – объясняет Вадим Закомирный.

Как отмечает российский физик: «На данный момент есть масса исследований наночастиц с пустотой внутри. Однако, столь точная модель для симуляции оптических свойств появилась не так давно. В нашей работе мы, конечно, ссылаемся на ряд экспериментальных работ по данной тематике. Приведенные нами результаты находятся в полном согласии с существующими экспериментальными результатами».

Какие работы планируются в будущем по исследованию оптических свойств наночастиц?

«Мы имеем обширные планы как по улучшению модели ex-DIM, так и по расширению спектра ее возможных применений. Нанооболочки являются крайне интересным объектом для исследования. В данном направлении мы планируем выполнить еще ряд работ по моделированию оптических свойств наночастиц с более сложной геометрией, в том числе геометрией полости внутри. Помимо этого, интерес представляют нанооболочки из других материалов, возможно, более интересных с точки зрения медицинских применений. В данный момент мы работаем над перспективами клинических исследований для наших наночастиц», – делится научными идеями предстоящей работы красноярский ученый.

Итак, представленный альтернативный вариант по определению резонансных свойств полых наноструктур демонстрирует не только точность численного моделирования и оригинальный подход, но и обещает большой диапазон для реализации потенциальных прикладных исследований.