Diagnostika chorob a porozumění procesů probíhajících v buňkách na molekulární úrovni vyžaduje citlivé a selektivní a diagnostické nástroje. Díky krystalovým poruchám v částicích některých anorganických materiálech máme možnost sledovat magnetická a elektrická pole v buňkách s rozlišením až desítek nanometrů a s vysokou citlivostí. Téměř ideálním materiálem pro tyto aplikace je diamant. Tento odedávna vyhledávaný drahý kámen je jednou z modifikací uhlíku, stejně jako například grafit. Na rozdíl od šperkařských diamantů se pro aplikace v diagnostice a nanomedicíně používají asi milionkrát menší diamanty – nanodiamanty. Připravují se synteticky z grafitu za vysokých tlaků a teplot.
Čistý nanodiamant nám však o svém okolí mnoho nesdělí. Jeho krystalová mřížka se musí nejprve řízeně poškodit tak, aby v ní vznikly zvláštní poruchy, tzv. centra dusík-vakance, umožňující optické čtení. Poškození vytváříme nejčastěji ozářením nanodiamantu rychlými ionty v částicových urychlovačích. Centra dusík-vakance jsou na světle mimořádně stálá a nanodiamanty díky nim mají obrovský aplikační potenciál využití v medicínských i technických aplikacích, například pro diagnostiku nádorových onemocnění. Ozařování ionty v urychlovači je ovšem komplikované a velmi drahé a z toho plyne vysoká cena takového materiálu, která donedávna velmi limitovala jeho dostupnost a využití v praxi, jakkoliv jsou vlastnosti tohoto materiálu mimořádné.
Tým vědců z několika výzkumných pracovišť pod vedením Dr. Petra Cíglera z Ústavu organické chemie a biochemie Akademie věd České republiky a Dr. Martina Hrubého z Ústavu makromolekulární chemie Akademie věd České republiky publikoval v prestižním časopise Nature Communications zcela nový způsob ozařování nanokrystalů. Namísto drahého a dlouhého mnohahodinového ozařování v urychlovači částic využili velmi krátké a o mnoho levnější ozáření v jaderném reaktoru. Tak jednoduché to ale nebylo – vědci museli využít trik, kde neutronové záření štěpí atomy bóru na lehké a velmi rychle letící ionty hélia a lithia. Nanokrystaly se nejprve dispergují v tavenině oxidu boritého a ozáří neutrony v jaderném reaktoru. Záchytem neutronů a rozpadem jader bóru vzniká hustá sprcha iontů hélia a lithia, které v materiálu udělají stejný efekt jako tytéž ionty produkované urychlovačem – řízenou tvorbu krystalových poruch. Díky vysoké hustotě této částicové sprchy a díky možnosti ozářit neutrony mnohem větší objem materiálů, bylo možné snadno a daleko levněji připravit desítky gramů vzácného nanomateriálu. Pro srovnání, ozařování v urychlovačích poskytuje za srovnatelnou dobu asi tisíckrát menší množství. Metoda byla úspěšná nejen pro tvorbu poruch v mřížce nanodiamantu, ale i na dalším nanomateriálu, karbidu křemíku. Vědci proto předpokládají, že by metoda mohla sloužit univerzálně pro produkci nanočástic s definovanými poruchami ve velkém měřítku.
Nápad využít tento princip vznikl na základě toho, že tým, který na projektu pracoval, se kdysi podílel na vývoji materiálů pro terapii bórovým neutronovým záchytem („boron neutron capture therapy“ – BNCT). Pacientovi je podána sloučenina bóru a po jejím nahromadění v nádoru je pacient ozářen neutrony. Ty způsobí štěpení jader bóru a nádorová tkáň, ve které je bór nahromaděn, je pak zničen vznikajícími ionty hélia a lithia. Tato idea pak byla použita pro výše uvedenou technologii a kruh se tak uzavřel – díky principu z experimentální terapie nádorů se povedlo vytvořit cestu pro efektivní výrobu nanomateriálů s vysokým potenciálem využití mimo jiné i v diagnostice nádorových onemocnění.
Citace: Jan Havlík, Vladimíra Petráková, Jan Kučka, Helena Raabová, Dalibor Pánek, Václav Štěpán, Zuzana Zlámalová Cílová, Philipp Reineck, Jan Štursa, Jan Kučera, Martin Hrubý a Petr Cígler: Extremely rapid isotropic irradiation of nanoparticles with ions generated in situ by a nuclear reaction. Nature Comm., in press, DOI: 10.1038/s41467-018-06789-8.