Modyfikowane nanorurki węglowe w diagnostyce chorób układu krążenia

Najczęstszą przyczyną zgonów w obecnych czasach są choroby sercowo-naczyniowe. W 2025 roku w Polsce z powodu samych chorób układu krążenia zmarło około 160 tysięcy osób, co w przybliżeniu odpowiada populacji miasta Gliwice. Złe nawyki żywieniowe i niezdrowy tryb życia, w tym siedzący charakter pracy wielu ludzi, sprawiają, że ta statystyka prawdopodobnie ulegnie dalszemu pogorszeniu w nadchodzącym czasie. Potrzebujemy materiałów, które umożliwiłyby wczesne wykrywanie chorób takiego typu, by dosłownie ratować życie.

  Odkrycie nanotechnologii przyniosło światu szereg materiałów o unikalnej strukturze i właściwościach. Szczególną rolę na tym polu odgrywają nanorurki węglowe. Są to niewielkie cylindryczne obiekty, których średnica jest 100 tysięcy razy mniejsza niż ludzki włos. Pośród wielu specjalnych atrybutów, które posiadają, są zdolne do fotoluminescencji tzn. emitują światło po odpowiednim wzbudzeniu. Niestety, światło emitowane przez te materiały jest obecnie zbyt słabe by myśleć o ich zastosowaniu poza środowiskiem laboratoryjnym.

Równocześnie, istnieje silna potrzeba opracowania nowych, wydajnych materiałów emitujących światło w zakresie bliskiej podczerwieni (NIR – Near-Infrared, zazwyczaj definiowanym w przedziale od ok. 700 do 1700 nm). Tradycyjne źródła światła NIR często nie spełniają współczesnych wymagań pod względem miniaturyzacji, elastyczności falowej, wydajności oraz biokompatybilności. Jednościenne nanorurki węglowe emitują światło w tym istotnym zakresie, ale wspomniana wyżej niska intensywność świecenia sprawia, że nie mogą zostać odpowiednio wykorzystane do przełamywania barier technologicznych w wielu dziedzinach optoelektroniki i medycyny.

Przykładowo, światło z zakresu NIR charakteryzuje się niską absorpcją oraz minimalnym rozpraszaniem przez ludzkie tkanki (tzw. I i II biologiczne okno optyczne). Materiały emitujące w NIR mogą umożliwić głębokie, bezinwazyjne obrazowanie fluorescencyjne in vivo, pozwalając na precyzyjne lokalizowanie komórek nowotworowych czy śledzenie dystrybucji leków w organizmie bez uszkadzania zdrowych tkanek. Ponadto, barwniki emitujące światło NIR mogą być stosowane do znakowania banknotów, dokumentów tożsamości oraz towarów luksusowych. Ponieważ emisja ta jest niewidoczna dla ludzkiego oka, zabezpieczenia te można odczytać wyłącznie za pomocą specjalistycznych detektorów, co znacząco utrudnia ich sfałszowanie. Co więcej, zakres NIR (szczególnie pasma wokół 1300 nm i 1550 nm) pokrywa się z minimum stratności w telekomunikacji światłowodowej, więc opracowanie odpowiednich emiterów jest niezbędne do produkcji wzmacniaczy optycznych oraz laserów obsługujących szybki transfer danych.

  Niedawno zaobserwowano, że jasność światła NIR emitowanego przez nanorurki można wielokrotnie zwiększyć poprzez wprowadzenie na ich powierzchnię nieznacznej ilości specjalnych grup chemicznych (defektów). Taki kontrolowany „chaos” na poziomie nanometrycznym sprawia, że energia wzbudzenia gromadzi się w pobliżu tych punktów, co ogranicza jej bezużyteczne rozpraszanie i prowadzi do intensywnego świecenia. Niestety, dotychczasowe metody wprowadzania takich modyfikacji były żmudne i nie pozwalały na pełne wykorzystanie potencjału materiału.

W ramach opisywanego projektu opracowano zestaw nowych, szybkich i w pełni kontrolowanych technik modyfikacji chemicznej nanorurek węglowych. Umożliwiają one precyzyjne kształtowanie powierzchni materiału na żądanie. Ponieważ typ przytwierdzanej grupy chemicznej determinuje właściwości optyczne, badacze zyskali możliwość „szycia na miarę” charakterystyki emitowanego światła pod konkretne zastosowanie. W efekcie stworzono bogatą bibliotekę modyfikowanych nanorurek o różnorodnych właściwościach. Otrzymane materiały posłużyły m.in. do zbudowania optycznego systemu wczesnej detekcji nieprawidłowości w gospodarce lipidowej – w tym precyzyjnego wykrywania poziomu cholesterolu, co stanowi pierwszą oznakę nadchodzących chorób układu krążenia. Sukces tej koncepcji oraz uzyskane wyniki udokumentowano publikacją w prestiżowym czasopiśmie Science Advances.

Przeczytaj również: Niezwykły świat nanomateriałów węglowych