La capacità delle nanostrutture a base di metalli nobili di manipolare la luce a livello nanometrico, unita all'integrazione nei sistemi biologici ha avuto grande impatto in biologia e biomedicina [90-94].Le nanostrutture a base di metalli nobili plasmonici sono
in grado di confinare i fotoni risonanti in modo tale da indurre l'oscillazione plasmonica di superficie coerente degli elettroni della banda di conduzione. Così facendo la risonanza plasmonica può irradiare la luce (scattering) [94], oppure essere
convertita in calore in modo efficace tramite un rapido rilassamento non radiativo(assorbimento) [94].I meccanismi sono stati sfruttati intensamente per una
varietà di bioappicazioni innovative, che vanno dal biosensing, bioimaging, consegna controllata di farmaci / geni, alla terapia fototermica del cancro.
Le nanoparticelle di oro hanno una capacità unica di confinare i fotoni risonanti in un volume limitato (sotto il limite di diffrazione) attrravero la risonanza plasmonica localizzata di superficie degli elettroni della banda di conduzione. [95-96].La figura 1a
illustra questo fenomeno per una nanosfera di Au, che mostra il tipo più semplice di LSPR, ovvero la risonanza dipolare. Questo confinamento plasmonico si traduce in una forte dispersione e in un forte assorbimento della luce e che producono un aumento dell’intensità del campo elettrico vicino la superficie della particella (figura
1b). Di conseguenza, tutte le proprietà radiative o i segnali spettroscopici dalle (bio)
molecole sulla superficie delle particelle,come l'assorbimento della luce, lo scattering Rayleigh, la fluorescenza e lo scattering Raman sono aumentate di diversi ordini di grandezza, mentre l'assorbimento non radiativo può essere convertito rapidamente in calore tramite il processo di effetto fototermico [95]. Tutte queste interazioni tra
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Figura 1.a) Illustrazione schematica di un LSPR di una nanosfera di Au che mostra l'oscillazione collettiva di elettroni delocalizzati in risposta a un campo elettrico esterno; b) Processi ottici (radiativo o non radiativo) risultanti dall'interazione della luce con un le nanoparticelle di oro.
Per quanto riguarda i nanofili di oro (GNW, Gold NanoWires), ovvero delle nanostrutture 1D di oro (in una dimensione non c’è il confinamento dimensionale tra 1 e 100 nm), possono essere utilizzati come elementi costitutivi importanti per la nanotecnologia a causa delle loro peculiari proprietà chimico-fisiche. I GNW sono eccellenti candidati nelle applicazioni elettrochimiche di sensori di pressione, rivelatori di DNA, interconnessioni e nanoelettrodi [97]. Contemporaneamente, i GNW
potrebbero fornire densità di corrente elevate ed elevato rapporto segnale / rumore. Queste proprietà sono importanti per le applicazioni di rilevamento [98]. Poiché i GNW
non sono termicamente stabili, un lieve riscaldamento potrebbe farli disintegrare in nanoparticelle. Pertanto, i GNW diventano stabili con l'aiuto di uno strato di molecole organiche, come l'oleilammina (OA). Tuttavia, lo strato organico deteriora notevolmente il trasporto di elettroni dei GNW, la cui resistenza aumenta da 103 Ω a
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Proprietà dei nanofili (GNW) Potenziali applicazioni
Alta area superficiale Catalitiche, sensoristica
Trasporto degli elettroni con uno strato organico di OA
Alta resistività, comportamento non lineare dipendente dalla temperatura, basse proprietà catalitiche
Trasporto degli elettroni senza lo strato organico di OA
Bassa resistività, alto trasporto
elettronico, sensoristica, alte capacità catalitiche
Proprietà meccaniche Elevata forza ingegneristica,
interconnessioni
LSPR SER, SERS
Chiralita dei cluster di oro Farmaci, sensori e catalizzatori
asimmetrici
Facile autoassemblaggio Substrato attivo per la SERS
Tabella 1. Lista di proprietà dei nanofili di oro e le potenziali applicazioni.
Le nanoparticelle 0-D a base di oro (GNP, Gold NanoParticles), con un diametro compreso tra 1 nm e 100 nm, sono state ampiamente utilizzate come sensori chimici e biologici a causa delle loro eccellenti proprietà fisiche e chimiche. Il colore intenso è causato dal forte assorbimento della luce a 520 nm [99], che è il risultato
dell'oscillazione collettiva degli elettroni di conduzione sulla superficie del sistema quando sono eccitati dalla luce incidente, come già spiegato precedentemente.
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Proprietà delle nanoparticelle (GNP) Potenziali applicazioni
SPR Colorimetrico, rilevamento basato su
SERS Photoluminescence Fluorescence
enhancement, Fluorescence quenching
Rilevamento basato sulla fluorescenza
Miglioramento dello scattering Raman SERS da meccanismo elettromagnetico e chimico
Forte scattering della luce Analisi dinamica della diffusione della
luce (DLS)
Facile modificazione superficiale Riconoscimento molecolare in diversi sistemi di rilevamento
Tabella 1. Proprietà delle nanoparticelle di oro e le loro potenziali applicazioni.
La risposta LSPR delle nanoparticelle d’oro che coprono la finestra ottica dal visibile al NIR (vicino IR) è fortemente influenzata da parametri strutturali quali la dimensione, la forma, la spaziatura tra le particelle e l’ambiente dielettrico circostante [94,100,101],
rendendole ottimali per l'etichettatura biologica e il rilevamento. Per gli studi in vivo, si desidera lavorare nella regione NIR, in particolare tra 650-900 nm, a causa dell'elevata trasmissione di sangue e acqua nei tessuti e di una più profonda penetrazione della luce (alcuni centimetri) in questa “finestra biologica” [96,101]. Poiché
la sintonizzazione dell’LSPR dipendente dalla dimensione delle nanosfere solide di Au è piuttosto limitata (e solo nella regione visibile), i modi efficaci per sintonizzare l’LSPR nella regione NIR riguardano la sintesi di nanoparticelle 1-D di oro, ovvero nanorods, nanoshell e nanogabbie. Come si vede dalla figura 1c, il picco LSPR sull'asse lungo si sposta verso il rosso (red shift) dal visibile al NIR all'aumentare delle dimensioni dei
122 nanorod. Le nanogabbie (figura 1d) e i nanoshell (Figura 1e) di oro mostrano un LSPR nella regione NIR mediante un facile controllo dello spessore della parete e del guscio (o il rapporto tra spessore del guscio e raggio del nucleo) della particella, rispettivamente. Tuttavia, si verifica l'accoppiamento plasmonico tra le particelle quando le nanoparticelle sono prossime all’aggregazione. Generalmente, non si verifica fino a quando la separazione tra le particelle da bordo a bordo è minore di 2,5 volte rispetto al diametro delle particelle [102].
El Sayed et al. hanno proposto una relazione universale tra il decadimento esponenziale dello spostamento spettrale rispetto alla separazione tra le particelle
[103]. Questa relazione è descritta dalla seguente equazione empirica:
λ∆ λ
0
≈ 0.18 exp (
−(𝑠/𝐷)
0.23
) (6)
dove Δλ / λ0 è lo spostamento plasmonico frazionario e s/D è il rapporto tra separazione e diametro. Questa legge di scala universale consente di prevedere una risposta plasmonica di un’ampia varietà di nanoparticelle di oro che risultano aggregate ed interagenti tra loro. Si noti che la teoria di Mie si applica solo per sistemi non interagenti ben separati o presenti a bassa concentrazione in soluzione. I recenti progressi della tecnica, tuttavia, hanno permesso la sintesi e la fabbricazione di array ordinati di sistemi plasmonici fortemente accoppiati per cui la classica descrizione elettromagnetica dei plasmoni accoppiati non è più adeguata e una descrizione quantistica è necessaria per comprendere il loro comportamento [95].
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Figura 1. c-e) Controllo su forma, dimensioni e composizione per la sintonizzazione dell’LSPR di (c) nanorods, (d) nanogabbie, (e) core-shell silice/oro, (f) Aumento della dispersione plasmonica rispetto al rapporto di assorbimento per aumento del volume delle nanosfere di oro.
124 La dimensione delle nanoparticelle di oro determina non solo le proprietà ottiche delle particelle ma anche l'efficacia ed il genere delle sue bioapplicazioni. Dal momento che l'assorbimento domina lo spettro di estinzione (assorbimento+scattering) per particelle più piccole, il contributo relativo allo scattering aumenta rapidamente con l'aumento delle dimensioni di tali sistemi (figura
1f). Le nanoparticelle di oro con diametro inferiore a ∼ 40 nm sono tipicamente
utilizzate per i saggi biologici basati sull'assorbimento, mentre le nanoparticelle più grandi sono preferite per il biosensing basato sullo scattering e per l'imaging in campo oscuro. Mentre le particelle con diametro medio di ∼ 40-80 nm sono adatte per la consegna fototermica di farmaci / geni e per la terapia del cancro a causa di un compromesso tra le loro proprietà ottiche e gli effetti sulle dimensioni. Le dimensioni ideali delle NP terapeutiche dovrebbero essere comprese tra 10 e 100 nm, poiché le particelle più grandi hanno una diffusione limitata nello spazio extracellulare [104]
mentre le particelle inferiori a 5 nm vengono rapidamente eliminate dalla circolazione attraverso i reni [105].
Uno degli obiettivi finali dell’ingegnerizzazione della superficie di tali nanoparticelle è finalizzato alla sintesi integrata di nanostrutture compatte "all-in-one", che racchiudano più componenti funzionali discrete (plasmoniche e non plasmoniche) in un'unica nanostruttura, con funzioni combinate [106-107]. Per quanto riguarda le
nanosonde di imaging, la capacità complementare di diverse modalità di imaging potrebbe essere sfruttata con grande effetto usandole in tandem poiché ogni tipo di nanosonda individuale mostra vantaggi e limiti distinti. Ad esempio, le NP magnetiche sono diventate un importante agente di contrasto T2 nella risonanza magnetica
nucleare (MRI), come discusso nella sezione 4.6., perché la risonanza magnetica offre un'elevata risoluzione e un'eccellente profondità di penetrazione nei tessuti. Tuttavia, la risonanza magnetica non è sensibile come l'imaging ottico ed è difficile da
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imaging ottico-MRI multimodali, quindi, si mostrano promettenti per usi clinici combinando l'elevata risoluzione spaziale e temporale della MRI con la sensibilità delle sonde per imaging ottico. Le nanostrutture multifunzionali "all in-one" con funzioni diagnostiche, terapeutiche e di targeting combinate, consentiranno di avere la capacità di eseguire più attività parallele e forniranno una piattaforma su cui le tecnologie terapeutiche guidate dalle immagini possono essere sviluppate per il trattamento teranostico dei tumori. Una delle principali sfide in questo campo riguarda la progettazione di nanosonde con funzionalità integrate, o anche create dalla cooperazione delle proprietà magnetiche e plasmoniche dei sistemi sintetizzati, pur mantenendo le dimensioni contenute.
La funzionalizzazione delle superfici delle nanoparticelle di oro con leganti e biomolecole (DNA, proteine, ecc.) è importante per un'ampia gamma di bioapplicazioni, in cui le interazioni e le coniugazioni tra i due sistemi giocano un ruolo centrale. Un recente studio [109] ha evidenziato il ruolo della struttura e dell'ordine del
legante superficiale nella penetrazione della membrana cellulare da parte delle particelle (figura 2). Nello studio, le nanoparticelle di oro con dimensioni di ∼ 6 nm sono state modificate con un guscio di leganti idrofobi e idrofili alternati. Le particelle ben organizzate a strisce sono state in grado di penetrare nelle membrane cellulari a 37 e 4 ° C senza evidenti prove di rottura della membrana, mentre le altre rivestite con le stesse frazioni ma distribuite casualmente, sono rimaste per lo più intrappolate negli endosomi. Il controllo della carica superficiale [110] e la chimica supramolecolare [111] sono indicati come due potenti strumenti per regolare i processi biologici per la
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Figura 2.Immagine che mostra la penetrazione tramite la membrana cellulare delle nanoparticelle di oro e modificate con leganti idrofobici ed idrofilici alternati.
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