超级计算机探索用于药物递送的等离子纳米囊泡的光学性质

金包衣脂质体的几何特征基于核心表面上金纳米颗粒的随机（A–D）和均匀（E–H）排列。[

想象一下一个微型金丸，它可能会传播到您体内的特定位置，并在需要的地方递送药物。这是等离子体纳米囊泡的承诺。

这些微小的胶囊可以引导血液流动，当被快速的激光脉冲击中时，它们会改变形状以释放其内含物。然后，它可以离开身体，仅留下所需的包装。

这种按需的，光触发的药物释放方法可以改变医学，尤其是治疗癌症。临床医生开始在头部和颈部肿瘤上测试等离子体纳米囊泡。它们还可以帮助您实时研究神经系统，并提供有关大脑工作原理的见解。

但是，就像纳米技术的许多方面一样，魔鬼在细节上。关于这些纳米粒子的具体行为，仍然未知很多，例如，它们响应的光的波长以及如何最好地对其进行工程设计。

德克萨斯大学达拉斯分校机械工程与生物工程学助理教授秦振鹏（他的团队）以及兰斯大学的合作者（Jaona Randrianalisoa博士）在2017年10月的《高级光学材料》一书中写道。复杂等离激元囊泡的集体光学性质的计算研究的进展。

他们使用得克萨斯州高级计算中心的Stampede和Lonestar超级计算机，以及兰斯香槟阿丁大学和圣地亚哥超级计算中心的ROMEO计算中心的系统（通过极限科学和工程发现环境）来执行大型任务。轻小囊泡的大规模虚拟实验。

秦说：“很多人制造纳米粒子，并用电子显微镜观察它们。”“但是计算为我们提供了解决问题的独特角度。他们提供了对基本交互作用和见解的更好理解，因此我们可以针对特定应用更好地设计这些粒子。”

等离子体囊泡中近场电增强的横断面视图。显示的是在75 nm囊泡核心周围的10 nm金纳米颗粒。

寻找生物医学金

金纳米颗粒是等离子体纳米材料的一个有前途的例子。与正常物质不同，等离激元纳米粒子（通常由贵金属制成）由于其几何形状和电磁特性而具有异常的散射，吸收和耦合特性。其结果之一是它们与光发生强烈相互作用，甚至在一定距离处都可以被可见光和紫外光加热，从而导致颗粒的结构发生变化，从熔化到膨胀再到破碎。

纳米金包覆的脂质体-球形囊囊包裹着水状核，可用于将药物或其他物质携带到组织中-作为光诱导内含物释放的有前途的药物已被证明。但是这些纳米颗粒需要能够通过肾脏系统清除身体，这将纳米颗粒的大小限制为少于几纳米。

纳米粒子的特定形状（例如，单个金分子的紧密程度，核的大小以及纳米粒子的大小，形状，密度和表面条件）决定了纳米粒子的功能以及性能，以及如何操作它。

秦近年来将注意力转移到了具有脂质体核心的小金纳米颗粒簇的动力学及其在诊断和治疗领域中的应用。

他解释说：“如果我们将纳米颗粒放在纳米囊泡周围，我们可以使用激光弹出囊泡并释放感兴趣的分子。”“我们有能力通过将囊泡包裹在一层非常小的颗粒上来在囊泡周围组装不同数量的颗粒。我们如何设计这种结构？这是一个非常有趣且复杂的问题。纳米粒子如何相互作用？它们之间相隔多远，有多少？

模拟提供基本的和实际的见解

为了深入了解等离激元纳米粒子的工作方式以及如何对其进行最佳设计，秦先生及其同事在实验室实验之外还使用了计算机模拟。

在最近的研究中，Qin和他的团队模拟了各种脂质体的核心大小，金纳米颗粒涂层的大小，广泛的涂层密度以及随机与均匀的涂层组织。涂层包括数百个共同表现的单个金颗粒。

“模拟一个粒子非常简单。您可以在普通计算机上完成此操作，但我们是最早研究复杂囊泡的公司之一。” Randrianalisoa说。“观察脂质核心周围的纳米粒子聚集体如何共同改变系统的光学响应，真是令人兴奋。”

该团队使用离散偶极近似（DDA）计算方法来预测镀金脂质体系统的光吸收特征。DDA允许人们通过任意形状和组织的粒子来计算辐射的散射。该方法的优点是允许团队设计新的复杂形状和结构，并定量确定其光学吸收特性。

研究人员发现，构成外表面的金纳米颗粒必须足够紧密地紧密结合甚至重叠，以吸收足够的光，从而使递送系统有效。他们确定了称为“黑金制度”的中间光学条件范围，其中紧密堆积的金纳米颗粒对所有波长的光都有响应，这对于一系列应用非常有用。

秦解释说：“我们想开发与近红外范围内的光相互作用的粒子，该粒子的波长约为700至900纳米，因此它们可以更深地渗透到组织中。”

他们预计这项研究将为纳米工程师提供设计指南，并将对生物医学应用的复杂等离激元纳米结构和囊泡的进一步发展产生重大影响。

[在2017年10月发表在ACS Sensors上的另一项研究中，秦和合作者证明了金纳米粒子在检测传染病和其他生化指标方面的有效性。]

受光遗传学最近发展的启发，光遗传学使用光来控制活组织中的细胞（通常是神经元），秦和他的团队计划使用该技术开发一种多功能的光学触发系统，以进行大脑活动和行为的实时研究。

他希望这项新技术的快速发布功能将为神经科学研究中的神经元交流研究提供足够的速度。

秦说：“使用计算来理解我们无法衡量的基本相互作用和机制的机会很多。”“这可以反馈到我们的实验研究中，因此我们可以更好地推进这些不同的技术来帮助人们。”

出版物：Jaona Randrianalisoa等人，“了解复杂的等离子囊泡的集体光学性质”，《先进光学材料》，2017年； DOI：10.1002 / adom.201700403