Estudio de la respuesta termoplasmónica de nanoestructuras metálicas inmersas en fluidos para aplicaciones en terapias fototérmicas

Abstract

La terapia fototérmica es uno de los avances que se están haciendo actualmente en la investigación médica y permite tratar a pacientes oncológicos de una forma menos invasiva y dañina que la quimioterapia, aunque tiene sus limitaciones. Para ello, se introducen en el torrente sanguíneo del paciente nanopartículas que se adhieren a las células cancerígenas, gracias a una funcionalización a base de moléculas químicamente selectivas que se adhieren a las nanopartículas. Una vez allí se calientan mediante el uso de luz infrarroja, induciendo la apoptosis o muerte celular. En este trabajo se estudia la respuesta termoplasmónica de cuatro nanoestructuras: la esfera, la nanobarra, el toroide y el disco, con el fin de ver cuál de ellas ofrece mejores resultados para las terapias fototérmicas. En primer lugar, se ha obtenido la expresión analítica que permite describir los plasmones localizados a partir de las ecuaciones de Maxwell y con ellas, las condiciones necesarias para que dichos plasmones se originen. Con esto se ha estudiado la sección eficaz de absorción de una esfera de distintas características, permitiendo determinar qué material es más adecuado para su uso en terapias fototérmicas. A continuación, se han estudiado el resto de las nanoestructuras y cómo cambia su respuesta dependiendo de su tamaño. Por último, se han planteado diferentes orientaciones preferenciales, que tratarán de simular las orientaciones que presentarían estas estructuras al circular por el torrente sanguíneo. Después de estudiar la respuesta de cada una de las nanoestructuras, se ha concluido que la mejor de las estudiadas es el toroide.

Photothermal therapy (PTT) is one of the great advances on biomedical research allowing cancer patients to be treated in a less invasive and harmful way than chemotherapy. However, it has its limitations and faces big challenges in its current stage, such as side effects like the damage induced in the healthy tissues. In PTTs, nanoparticles are introduced into the patient's bloodstream and attach themselves to the cancer cells, thanks to a functionalisation based on chemically selective molecules that attach to the nanoparticles. Once there, they are heated using infrared light, that may induce to apoptosis or cell death. In this work, we study the thermoplasmonic response of four nanostructures: sphere, rod, toroid and disc, in order to find which of them shows as the best candidate to be used in photothermal therapies. We first used the analytical expression of localized plasmons obtained from Maxwell's equations, and with them, the conditions necessary for these plasmons to originate. With this, the effective absorption cross-section of a sphere of different characteristics was studied, making possible to determine which material is the most suitable for its use in photothermal therapies. Then, we studied the changes in the electromagnetic response of the rest of the nanostructures as a function of their size. Finally, different preferential orientations were proposed, to simulate the orientations that these structures would present when circulating in the bloodstream. After studying the response of each of the nanostructures, it was concluded that the best candidate for PPTs is the toroidal particle, showing a significantly larger absorption cross section and consequently greater potential to heat up its local environment.