Onderzoekers produceren kleine nanodeeltjes en onthullen voor het eerst hun innerlijke structuur

Kleine nanodeeltjes kunnen worden voorzien van kleurstoffen en kunnen worden gebruikt voor nieuwe beeldvormingstechnieken, zoals chemici en natuurkundigen van Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU) aantonen in een recente studie. De onderzoekers waren ook de eersten die de interne structuur van de deeltjes volledig hebben bepaald. Hun resultaten werden gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Angewandte Chemie.

Single-chain nanodeeltjes (SCNP’s) zijn een aantrekkelijk materiaal voor chemische en biomedische toepassingen. Ze zijn gemaakt van slechts een enkele ketting van moleculen die wordt opgevouwen tot een deeltje met een omtrek van drie tot vijf nanometer. “Omdat ze zo klein zijn, kunnen ze overal in het menselijk lichaam reizen en voor een breed scala aan doeleinden worden gebruikt”, zegt professor Wolfgang Binder van het Institute of Chemistry van MLU. Omdat het een nieuw onderzoeksgebied is, blijven enkele vragen onbeantwoord. Tot nu toe werd bijvoorbeeld de inwendige structuur van de deeltjes alleen aangenomen, maar niet definitief opgelost.

Nadat Binder en zijn team nieuwe nanodeeltjes met één keten hadden ontwikkeld die in de geneeskunde konden worden gebruikt, wilden ze meer weten over hun structuur. “We concludeerden dat de nanodeeltjes die we hebben ontwikkeld een speciale interne structuur moeten hebben”, zegt Binder. Om dit vast te stellen nam hij contact op met collega’s van de afdelingen scheikunde en natuurkunde van MLU. Met behulp van een combinatie van elektronenspinresonantie en fluorescentiespectroscopie konden de wetenschappers voor het eerst de structuur van een SCNP visualiseren. “Ze vormen een soort nano-pocket die een kleurstof of andere moleculen kan beschermen”, legt Binder uit. Hun bevindingen zijn in lijn met eerdere aannames over de mogelijke ruimtelijke structuur binnen zulke kleine deeltjes.

Het doel van de onderzoeksgroep van Binder is het ontwikkelen van nanodeeltjes voor diagnostisch testen. Het produceren van de nanodeeltjes is echter een complexe taak. “Ze moeten vrijwel onzichtbaar zijn voor het lichaam”, legt Justus Friedrich Hoffmann, een Ph.D. student in de onderzoeksgroep van Binder. Ze kunnen niet worden vernietigd door het immuunsysteem van het lichaam en ze moeten ook de juiste interne bindingsplaatsen hebben zodat een kleurstof of een ander molecuul kan worden opgeslagen en beschermd. Daarnaast moeten ze in water oplosbaar zijn zodat ze via de bloedbaan kunnen worden getransporteerd. “Ze vormen vaak grote klonten, maar we hebben nu individuele deeltjes kunnen produceren”, zegt Hoffmann. Ze gebruikten een chemische truc om de ketting in de gewenste vorm te condenseren.

De kleurstof, die tijdens het fabricageproces wordt verwerkt, wordt gebruikt voor zogenaamde fotoakoestische beeldvorming. De procedure is een alternatief voor computertomografie, maar zonder de gevaarlijke straling. Het stelt iemand in staat om van buiten het lichaam enkele centimeters diep in het weefsel te kijken. Normaal gesproken wordt de kleurstof snel vernietigd door het lichaam, zegt Binder. De minuscule nanodeeltjes beschermen de kleurstof, die bijvoorbeeld kan worden gebruikt bij het visualiseren van tumoren die deze via bloedvaten zou binnendringen.

SCNP’s kunnen ook in een groot aantal andere toepassingen worden gebruikt. Ze zouden bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt als nanoreactoren waarin chemische reacties plaatsvinden.