Наногель свернулся под воздействием рентгеновского излучения

Немецкие и итальянские физики в реальном времени проследили за сворачиванием полимерной оболочки на кремниевых наночастицах с помощью мегагерцового рентгеновского динамического светорассеяния на базе европейского рентгеновского лазера на свободных электронах. Основываясь на полученных константах диффузии при воздействии света, ученые определили характерное время сворачивания и разворачивания наночастиц. Исследование, призванное улучшить контроль над высвобождением лекарственных препаратов из наночастиц, опубликовано в журнале Science Advances.

Реагирующие гидрогели обратимо изменяют свой объем при изменении pH, давления или температуры. Это свойство широко используется в системах для доставки лекарств и очистки воды. Множество гидрогелей основаны на поли-N-изопропилакриламиде (PNIPAM) — полимере, растворимом в воде, который можно заставить сжиматься и разжиматься, воздействуя теплом, растворителями или давлением. Для более контролируемого использования этого полимера нужно понимать, за какое время происходит его расширение. Для гидрогелевых частиц размером от микрометра до миллиметра кинетика сжатия-разжатия описывается с помощью модели Танаки, в которой время сжатия пропорционально квадрату радиуса полностью разбухшей частицы. Чтобы нагреть гидрогель, ученые либо воздействуют на растворитель (тогда в процессе возникает промежуточная стадия с формированием внешнего слоя свернувшегося полимера), либо нагревают их изнутри, возбуждая плазмонный резонанс на золотом ядре частицы. Но это сильно ограничивает возможный спектр применения гидрогелевых частиц.

Группа физиков из немецкого электронного синхротронного центра DESY и европейского центра рентгеновского лазера на свободных электронах XFEL под руководством Феликса Лемкюлера (Felix Lehmkühler) провела прямое измерение гидродинамического радиуса наночастиц диоксида кремния с оболочкой из PNIPAM. Константа диффузии для наночастиц с броуновским движением описывается законом Стокса — Эйнштейна и напрямую зависит от гидродинамического радиуса частицы. Использование рентгеновского динамического светорассеяния позволяет измерить диапазон длин от нанометров до микрометров благодаря использованию конфигурации малоуглового рассеяния рентгеновского излучения (SAXS), а использование мегагерцового лазера позволяет увеличить точность до субмикросекундных процессов.

Ученые самостоятельно получили нужные частицы диоксида кремния со средним размером в 43,3 нанометра, а затем покрыли их полимерной оболочкой толщиной от 125 до 160 нанометров и разным количеством сшивающего агента метиленбисакриламида (от четырех до восьми процентов). Полученные коллоидные растворы подвергали воздействию рентгеновских импульсов энергией в девять килоэлектронвольт с частотой повторения в 2,24 мегагерца. По мере измерения спектра ученые анализировали матрицу двувременной корреляции. В зависимости от интенсивности рентгеновского излучения система вела себя по-разному: при значениях плотности энергии до двух миллиджоуль на квадратный миллиметр она оставалась в равновесии и изменение температуры было слишком незначительно, а при больших значениях плотности энергии (19,1 миллиджоуля на квадратный миллиметр) система выходила из состояния равновесия и быстро разгонялась до баллистического, которое затем возвращалось к диффузному поведению. Похожее поведение наблюдалось и для обычных наночастиц диоксида кремния.

Ученые решили оценить эффективную температуру наночастиц, на которую влияет как частота импульсов, так и плотность энергии потока. В предположении, что слой полимера практически не влияет на коэффициент поглощения рентгеновского излучения, авторы откалибровали эффективную температуру по наночастицам диоксида кремния. При интенсивности меньше двух миллиджоулей на квадратный миллиметр в среднем частицы вели себя стационарно с небольшим нагревом недостаточным для сжатия (температура перехода 39 градусов по Цельсию). По мере увеличения интенсивности до пяти миллиджоулей на квадратный миллиметр с частотой импульсов в 1,125 мегагерц наблюдается переход между свернутым и развернутым состоянием, а при дальнейшем увеличении до 13 миллиджоулей на квадратный миллиметр и выше наблюдалось лишь свернутое состояние (так как баллистический режим слишком быстро приводил к нагреву и сворачиванию частиц). Вдобавок ко всему, высокая частота и интенсивность излучения приводили к разрушению частиц.

Оказалось, что наночастицы с толстым слоем полимера и с большим содержанием сшивающего агента сворачиваются дольше всего — за 595 наносекунд, тогда как разбухают вновь за 80 микросекунд. Для толстослойных наночастиц с маленьким содержанием сшивающего агента время сворачивания оказалось в три раза меньше — 198 наносекунд, тогда как время разбухания, наоборот, стало дольше — более 100 микросекунд. Тонкослойные наночастицы ведут себя одинаково вне зависимости от доли сшивающего агента: 496 наносекунд для сворачивания и 60 микросекунд для набухания. Как и в случае золотых наночастиц с покрытиями — время сворачивания соответствует локальному нагреву частиц изнутри, тогда как время набухания полностью совпадают с предсказанными по механизму объемной диссипации энергии.

Новый метод рентгеновского динамического светорассеяния показал свою пользу для изучения кинетических процессов сворачивания и разворачивания полимерных оболочек наночастиц. Авторы планируют использовать его в дальнейшем для анализа кинетики складывания белковых структур, что поможет, среди прочего, улучшить контроль над высвобождением лекарственных препаратов из наночастиц.

Реагирующий на воздействия полимер PNIPAM уже нашел множество применений. Например, два года назад американские исследователи сделали из него робочервя и научили ползать по воде.