Kultananopartikkeli

Kultananopartikkelit tai kultakolloidit ovat nanometrien mittakaavassa olevia kiinteitä kultahiukkasia. Kuten muillakin materiaaleilla, myös kullalla on nanomittakaavassa erityisiä ominaisuuksia. Kultaiset nanopartikkelit ovat metallinanopartikkeleista vakaimpia. Au-nanopartikkeleilla on monia mahdollisia sovelluksia esimerkiksi nanoelektroniikassa, sairauksien diagnosoinnissa, lääkkeiden tarkassa kuljetuksessa haluttuun kohteeseen kehossa  tai katalyysimateriaalina.

Historia

Kultananopartikkeleita on käytetty jo antiikin aikana lasin ja keraamien värjäykseen, ja niitä on kutsuttu myös nimellä liukeneva kulta (soluble gold). Liukenevaa kultaa on käytetty myös mm. epilepsian ja sydäntautien hoidossa sekä kupan diagnosoinnissa, johon sitä käytettiin vielä 1900-luvulla. Vuonna 1857 Michael Faraday syntetisoi ensimmäisen kerran kolloidisia kultananopartikkeleita tetrakloroauraatista AuCl₄⁻, fosforista P ja hiilidisulfidista CS₂.

Nanokullan ominaisuudet

Kuten kaikilla nanomateriaaleilla, myös nanokullan ominaisuudet ovat jossain bulkin ja atomien tai molekyylien välissä. Tässä tekstissä bulkki ei viittaa materiaalin sisäosaan, vaan nanokokoa suurempiin materiaaleihin eli kappaleisiin, joiden kaikki ulottuvuudet ovat yli 1 000 nm. Nanomateriaalin ominaisuudet riippuvat kemiallisen koostumuksen lisäksi partikkelikoosta, partikkelien keskenäisistä etäisyyksistä, stabiloinnista ja partikkelien muodosta.
Nanopartikkelit voivat olla niin pieniä, että bulkkimateriaaleja määrittävien fysikaalisten ominaisuuksien alarajat tulevat vastaan. Au-nanopartikkelissa kulta-atomeita voi olla vain kaksi tai tuhansia. Esimerkiksi bulkin valenssielektronien De Broglien aallonpituus voi olla suurempi kuin nanopartikkelin koko ja tämä johtaa elektronien energiatasojen muuttumiseen jatkuvasta diskreeteiksi. Tällöin nanopartikkelia kutsutaan kvanttipisteeksi (quantum dot), ja sen absorptio- ja emissiospektrit riippuvat partikkelin koosta. Tämä selittää jo antiikin aikana tunnetut moninaiset Au-nanopartikkelien värit. Riittävän pienet metallipartikkelit alkavat muuttua puolijohteiksi ja puolijohdepartikkelit eristeiksi. Tutkimusten mukaan siirtymä metallimaisten ja molekyylimäisten ominaisuuksien välillä tapahtuu 130 ja 144 kulta-atomin kokoisten hiukkasten välillä. Bulkkikokoinen kulta ei ole reaktiivista, mutta nanokokoinen on, eli se sopii mm. katalyytiksi. Au-nanopartikkelissa atomit eivät ole järjestäytyneet samanlaiseksi kiteeksi kuin bulkkikoossa, vaan ne muodostavat pallomaisia rakenteita.

Valmistus

Nanopartikkelien valmistustavat voidaan yleisesti jakaa karkeasti kahteen eri ryhmään: ”ylhäältä alas” (top-down) ja ”alhaalta ylös” (bottom-up) -menetelmät. "Ylhäältä alas" tarkoittaa  sitä, että partikkeli valmistetaan suuremmasta kappaleesta ja "alhaalta ylös" sitä, että partikkeli valmistetaan pienemmistä kappaleista. ”Ylhäältä alas” -menetelmät ovat yleensä fysikaalisia ja ”alhaalta ylös” -menetelmät kemiallisia. Kultananopartikkeleista voidaan tehdä erimuotoisia, mikä vaikuttaa niiden ominaisuuksiin. Mm. nanopalloja, -sauvoja, -häkkejä, -tähtiä ja -kuoria on tehty. Seuraavana on muutamia esimerkkejä eri valmistusmenetelmistä.

Au-suola ja pelkistin

Esimerkki bottom-up-tyylistä syntetisoida Au-nanopartikkeleita on käyttää kultasuolaa, kuten kidevedellistä vetytetrakloroauraattia HAuCl₄•3H₂O. Se voidaan pelkistää sopivalla pelkistimellä kuten natriumborohydridillä, NaBH₄, tai magneesiumsitraatilla, Mg[C₆H₆O₇], sopivassa liuottimessa. Lisäksi tarvitaan stabilointiainetta kuten poly(metakrylaattihappo):a, jonka päihin on lisätty tioeetteriä.

Stabilointi

Stabilointiaine kuten alkaanitiolaattiligandi, estää partikkelien kasaantumisen yhteen, mikä mahdollistaa kapean kokojakauman ja pienet partikkelikoot (jopa 1–4 nm). Esimerkiksi poly(etyleeniglykoli):a (PEG), jonka päässä on tioliryhmä, voidaan lisätä Au-nanopartikkelien pintaan. Tällöin puhutaan pegylaatiosta. Tioliryhmä reagoi partikkelin pinnan kanssa ja PEG muodostaa steerisen esteen partikkelien välille estäen niiden kasaantumisen. PEG myös lisää partikkelien liukenemista veteen ja parantaa niiden säilymistä verenkierrossa, koska retikuloendoteelijärjestelmä (elimistön syöjäsolut), eli lähinnä maksa ja perna, eivät enää tunnista partikkeleja. PEG voi sisältää myös amiini- tai karboksyyliryhmiä, jolloin polymeerin päähän voidaan lisätä muitakin aineita ja tehdä siihen entistä monipuolisempi rakenne.

Ligandinvaihto

Kultananopartikkelin pintaan kiinnittyneitä alkaanitiolaattiligandeja voidaan vaihtaa ligandinvaihtoreaktiolla toisiin tioliryhmän sisältäviin ligandeihin. Reaktio tapahtuu yksinkertaisesti sekoittamalla alkaanitiolaattikerroksella päällystettyjä nanopartikkeleita uusia ligandeja sisältävässä liuoksessa, jolloin kaikki tai osa vanhoista ligandeista korvautuu uusilla. Nopeus, jolla ligandit vaihtuvat partikkelin pinnalla, hidastuu mitä suurempi uusi ligandi on ja samaten korvautuvien alkaaniketjujen pituuden kasvaessa.

Au-pinta ja laserablaatio nestefaasissa

Laserablaatiolla voidaan tuottaa top-down-tyylisesti vakaita Au- ja muitakin metallinanopartikkeleita ilman erityisiä lähtöaineita, pelkistimiä tai stabilointiaineita. Tällöin saadaan partikkeleita, joiden pinnat ovat puhtaita ylimääräisistä kemikaaleista. Laserblaatiolla tarkoitetaan valmistusmenetelmää, jossa laserpulssi kohdistetaan materiaalin pintaan, jolloin pinta hajoaa pienempiin osiin. Femtosekuntilaser on ollut tärkeä keksintö tämän menetelmän kannalta. Eräässä kokeessa 99,99 %:n kultalevyn pintaan kohdistettiin 50 µm:n alueelle 10 µJ:n pulssi, jonka leveys oli 700 fs, pulssien toiston taajuus 100 kHz ja aallonpituus 1 045 nm. Liuottimena käytettiin pelkkää deionisoitua vettä. Partikkelien halkaisijoiden keskiarvoksi saatiin edellä mainitussa kokeessa 20 nm. Stabilointiaineita ei tarvita, koska tällä tekniikalla valmistetut Au-nanopartikkelit eivät koostu pelkästä Au⁰:sta, vaan myös Au⁺:sta ja Au³⁺:sta. Tämä johtuu luultavasti laserin virittämien Au-atomien reaktiosta veden tai hiilidioksidin kanssa, jolloin muodostuu Au−O, Au−OCO₂₋ ja Au−OCO₂H –yhdisteitä. Tällöin partikkelien pinta on negatiivisesti varautunut, eli ne eivät enää kasaannu helposti. Laserablaatiolla valmistetuilla partikkeleilla on bottom-up-menetelmiä korkeampi hajonta partikkelikoossa.

Sovellukset

Kultananopartikkeleilla on ainutlaatuisia ominaisuuksia, joiden ansiosta niitä voidaan hyödyntää monenlaisissa sovelluksissa. Kultananopartikkelien synteesi tunnetaan hyvin ja niiden kokoa ja muotoa voidaan hallita, mikä on tärkeää sovellusten kehittämisessä.  
Ligandinvaihto mahdollistaa partikkelin pinnan ominaisuuksien muuntelun monien erilaisten orgaanisten yhdisteiden avulla. Esimerkiksi 11-merkaptoundekaanihapolla partikkelista saadaan liukoinen alkaliseen vesiliuokseen, mutta happamassa liuoksessa ne sen sijaan aggregoituvat, eli kiinnittyvät toisiinsa vetysidosten välityksellä muodostaen partikkeleista pieniä ryppäitä.   Muutamia sovelluksia on esitelty seuraavissa kappaleissa.

Valokemialliset sovellukset

Kultananopartikkeleita voidaan käyttää valokemiallisten ilmiöiden tutkimiseen, jolloin partikkelin pintaan liitetään ligandeja, joissa on valoaktiivinen ryhmä, kuten esim. fullereeni , porfyriini  tai ftalosyaniini . Valoaktiivisilla nanopartikkeleilla voi tulevaisuudessa olla käyttöä aurinkoenergian keräämisessä, fotokatalyysissä ja spektroskopiassa.

Metallien tunnistaminen

Kultananopartikkeleja voidaan käyttää erittäin pienten elohopeapitoisuuksien tunnistamiseen. Elohopea muodostaa kullan kanssa amalgaamin, jolloin kultananopartikkeleiden absorptiospektri muuttuu. Päällystämällä inertin kappaleen ohuella kultananopartikkelikerroksella ja puhaltamalla siihen nestemäisestä näytteestä eroteltua elohopeapitoista ilmaa, voidaan UV/Vis-spektrometrialla havaita näytteestä pienimmillään 1,5 ng/l pitoisuuksia elohopeaa. Elohopean kyllästämän kultakerroksen voi regeneroida lämmittämällä. Menetelmän etuna on sen halpuus aikaisempiin menetelmiin verrattuna, sekä analyysin nopeus ja ympäristöystävällisyys.

Sovellukset elektroniikassa

Elastisten polymeerien päällystäminen kultananopartikkeleilla mahdollistaa venyvien ja taipuvien johtimien valmistamisen. Näillä voi olla käyttöä taivuteltavassa elektroniikassa ja lääketieteellisissä implanteissa, jolloin johdinten joustaminen kudosten mukana ehkäisee liikkumisen aiheuttamia vaurioita.  Alkaanitioliligandeilla päällystettyjä partikkeleja voidaan käyttää johtimien tulostamiseen: liuottimessa liuenneena olevat partikkelit voidaan mustesuihkutulostimella tulostaa suoraan muovikalvolle, jonka jälkeen lämpökäsittely yhdistää ne sähköä johtavaksi kerrokseksi.

Katalyysi

Kultananopartikkeleita voidaan käyttää katalyyttinä mm. hapetettaessa hiilimonoksidia hiilidioksidiksi. Katalyyttisovelluksissa hiilimonoksidin hapetus hiilidioksidiksi vaatii normaalisti yli 600 °C:n lämpötilan, mutta nanokulta pystyy siihen jo huoneenlämmössä.

Kultananopartikkelit lääketieteessä

Kulta on hyvä materiaali lääketieteellisiin sovelluksiin, koska kulta on biologisesti hyvin inertti aine ja kultananopartikkelit ovat siten yleensä hyvin bioyhteensopivia, eli eivät aiheuta merkittäviä haittavaikutuksia.  Kolloidisia Au-nanopartikkeleita on käytetty biosensoreissa, sairauksien diagnosoinnissa ja geeniekspressiossa. Mahdollisia lääketieteellisiä sovelluksia ovat myös: lääkeaineiden, peptidien, DNA:n ja antigeenien kuljetus kehossa, kuvantaminen ja geenien säätely sekä syöpähoitojen tehostaminen. Suurin osa kultananopartikkelien lääketieteellisistä sovelluksista on vielä tutkimusvaiheessa, mutta muutamia testataan jo kliinisillä tutkimuksilla.

Lääkeaineiden kuljetus

Kultananopartikkeleja voidaan käyttää lääkkeiden kuljetuksen tehostamiseen ja kohdistamiseen tiettyihin elimiin, kudoksiin tai soluihin. Tämä on tarpeen mm. silloin jos lääkeaine aiheuttaa vakavia haittavaikutuksia, jos se halutaan kuljettaa elimistössä sellaiseen paikkaan, johon vieraita aineita on vaikea saada tai jos kuljetettavana on molekyylejä, jotka hajoavat helposti elimistöstä tai poistuvat sieltä helposti esim. munuaisten kautta.
Ainakin kultananopartikkelin koko, muoto, pinta varaus, kyky kuljettaa ja vapauttaa lääkettä, hydrofobisuus ja hydrofiilisyys sekä pinnan reaktiivisuus vaikuttavat lääkkeen kuljetuksen onnistumiseen.   Kultananopartikkelit päätyvät solun sisälle reseptori-välitteisen endosytoosin avulla, joka saadaan aikaan lisäämällä kultananopartikkelin pintaan kohdistusmolekyylejä. Kultananopartikkelin 
pintaa voidaan muokata tiolien avulla ja jopa 100 molekyyliä voidaan sitoa 2 nm kokoisen kultananopartikkelin pinnalle, joten kultananopartikkeleja voidaan laajasti muokata sopimaan erilaisiin käyttötarkoituksiin. Kultananopartikkelien kokoa voidaan niitä valmistettaessa säädellä suhteellisen helposti ja niiden koko voi olla 1–150 nm.

Syövän hoito

Syöpälääkkeet ovat hyvä esimerkki lääkeaineista, joita käytettäessä lääkkeiden kohdistaminen tiettyyn paikkaan elimistössä on erittäin tärkeää. Syöpälääkkeet on tarkoitettu tavalla tai toisella tappamaan syöpäsoluja, joten ne ovat soluille haitallisia. Siksi ne voivat aiheuttaa pahoja haittavaikutuksia, jos ne päätyvät terveisiin soluihin, vaikka terveillä soluilla onkin yleensä paremmat mahdollisuudet toipua lääkkeen vaikutuksista kuin syöpäsoluilla.  Tehokkaimmat syöpälääkkeet siis tappavat soluja tehokkaimmin ja aiheuttavat näin myös vakavampia haittavaikutuksia. Siksi tarvitaan keinoja kuljettaa syöpälääkkeet spesifisesti kasvaimiin ilman, että ne pääsevät kosketuksiin terveen kudoksen kanssa.
Nanopartikkelit kulkeutuvat syöpäkasvaimiin passiivisesti kasvainten rakenteen takia, mikä tunnetaan EPR-efektinä. Kerääntymistä kasvaimiin voi tehostaa lisäämällä partikkelien pinnalle molekyylejä, jotka voivat kiinnittyä syöpäsolujen pinnalla oleviin reseptoreihin.  Tällaisia molekyylejä ovat esim. foolihappo, transferriini sekä verisuonen endoteelin kasvutekijä (VEGF). Monet syöpäsolutyypit tuottavat terveisiin soluihin verrattuna enemmän reseptoreja, joihin äsken luetellut molekyylit kiinnittyvät. Tämän ansiosta kultananopartikkelit, joiden pinnassa on näitä molekyylejä, kertyvät enemmän syöpäkasvaimiin kuin terveisiin kudoksiin.  
Syöpälääkkeiden kuljetuksen lisäksi kultananopartikkeleja voidaan muutenkin hyödyntää syövän hoidossa. Niitä voidaan käyttää apuna syövän kuvantamisessa, koska ne pystytään havaitsemaan yksinkertaisillakin menetelmillä.  Lisäksi niitä voidaan käyttää syöpäsolujen tappamiseen myös ilman myrkyllisiä lääkkeitä. Kultananopartikkelit voivat absorboida infrapunasäteilyä ja muuttaa sitä lämmöksi. Tätä ilmiötä voidaan käyttää hyödyksi fototermisessä hoidossa. Säteilytettäessä kultananopartikkelien lämpötila voi kasvaa jopa niiden sulamispisteeseen, mikä riittää tappamaan partikkelin lähellä olevat syöpäsolut.  Yleensä käytetään lyhytaaltoista infrapunasäteilyä, koska se läpäisee kudokset melko hyvin, ei siroa paljoa eikä vahingoita tervettä kudosta.

Turvallisuus

De Jong et al.  suorittamat in vivo -tutkimukset rottien verenkiertoon injektoiduilla kultananopartikkeleilla osoittivat, että 24 tunnin kuluttua altistuksesta 10 nm partikkelit olivat levinneet laajalti sisäelimiin, mukaan luettuna aivoihin. Heikkilä  on tutkinut tietokonemalleilla nanopartikkelien käyttäytymistä biologisissa ympäristöissä ja toteaa kultananopartikkelien mahdollisesti 
vuorovaikuttavan solun pinnan kanssa ja käynnistävän apoptoosin. Alkilany ja Murphy  puolestaan toteavat nanopartikkeleiden terveysvaikutuksia läpikäyvän kirjallisuuskatsauksen yhteenvedossa, että monissa tutkimuksissa kultananopartikkelit on todettu vaarattomaksi, mutta osa artikkeleista on päätynyt päinvastaiseen tulokseen. Artikkelissa painotetaan, että monipuolisempaa tutkimustietoa tarvitaan yhä.