Хиральные углеродные наночастицы с оптическими переходами в красной и ближней инфракрасной области для задач тераностики

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-13-00294

НазваниеХиральные углеродные наночастицы с оптическими переходами в красной и ближней инфракрасной области для задач тераностики

Руководитель Черевков Сергей Александрович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО" , г Санкт-Петербург

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-405 - Наноструктуры и кластеры. Супрамолекулярная химия. Коллоидные системы.

Ключевые слова углеродные наночастицы, сольвотермальный синтез, микроволновый синтез, оптическая активность, хиральность, инфракрасный спектральный диапазон, спектроскопия, микроскопия, биовизуализация, тераностика

Код ГРНТИ31.25.19

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Переход к высокоэффективной персонализированной медицине, интегрирующей высокотехнологические достижения физики, химии и материаловедения, является одной из наиболее актуальных проблем современности. В свете вышеобозначенной проблемы можно выделить тераностику - новое направление мультидисциплинарных исследований, одновременно сочетающее в себе комплексное решение терапевтических и диагностических задач. Подобный подход может быть достигнут путем создания новых функциональных веществ и композитных материалов, которые параллельно могут служить маркерами при ранней диагностике заболеваний и обладают терапевтическим эффектом. В качестве таких функциональных веществ могут выступать наноструктурированные композиты, структурные параметры и физико-химические свойства которых можно прецизионно контролировать. Следует отметить, что потенциал использования традиционных полупроводниковых наноструктур в данных целях является сильно ограниченным ввиду их низкой биосовместимости и высокой токсичности как прекурсоров, так и конечного продукта. В связи с этим наиболее подходящим объектом являются недавно открытые углеродные наночастицы, которые практически не уступают полупроводниковым наноструктурам по своим фотофизическим характеристикам, но при этом инертны в отношении биологических объектов, а также могут быть легко функционализированы фотодинамическими/фототермическими терапевтическими агентами и/или внедрены в более сложные композиты с заданными свойствами. При всех вышеперечисленных достоинствах углеродные наночастицы могут обладать ещё и хиральностью, как наведенной, так и собственной, что в совокупности с перестраиваемой во всем видимом диапазоне полосой люминесценции углеродных наночастиц открывает новые возможности в тераностике. Наличие хиральности в углеродных наночастицах позволит селективно взаимодействовать с биологическими системами, а также повысит эффективность визуализации биологических тканей за счет изменения поляризации оптических откликов исследуемых систем. Однако на сегодняшний момент методики создания хиральных углеродных наночастиц сильно ограничены и требуют дальнейшего исследования и развития. В частности, необходимо разработать методы синтеза хиральных углеродных наночастиц с оптическими переходами в окнах прозрачности биологических тканей (650-1100 нм). Такие объекты также требуют детального исследования структуры их энергетических уровней для контроля оптических откликов для дальнейших применений в биовизуализации. Целью проекта является разработка методик создания биологически совместимых композитов на основе хиральных углеродных наночастиц с оптическими переходами в красной и ближней инфракрасной области спектра. Такая цель является многокомпонентной и требует комплексного решения, начиная с разработки методик синтеза стабильных углеродных наночастиц с контролируемыми физико-химическими свойствами и морфологическими параметрами, установления фундаментальных принципов излучения полученных наночастиц и композитов на их основе, разработка методов функционализации поверхности наночастиц для внедрения их в биологические системы. Для достижения обозначенной цели будут применены известные и разработаны новые методы коллоидного синтеза углеродных наночастиц и создания композитов на их основе, будут применены современные методы исследования оптических откликов образцов, в том числе конфокальной и электронной микроскопии, стационарной и время-разрешенной спектроскопии, а также спетроскопии комбинационного рассеяния и Фурье-ИК спектроскопии. Ключевой научной новизной проекта является получение образцов углеродных наночастиц с сочетанием оптической активности и яркой люминесценцией в красной и ближней инфракрасной области спектра. На основе таких частиц будут разработаны композиты с заданными физико-химическими свойствами (контроль химического состава поверхности с возможностью ее функционализации под конкретные задачи, эффективного фототермического преобразования энергии, и т.д.), которые расширят класс наноструктурированных материалов для диагностики и терапии опасных заболеваний. Актуальность научной проблемы, а также новизна подходов к ee решению, предлагаемых в настоящем проекте, поlтверждается письмом поддержки Prof. A. Rogach из Городского Университета Гонконга (Приложение 1).

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ведерникова А.А., Мирущенко М.Д., Арефина И.А., Бабаев А.А., Степаниденко Е.А., Черевков С.А., Спиридонов И.Г., Данилов Д.В., Королева А.В., Жижин Е.В., Ушакова Е.В. Dual-Purpose Sensing Nanoprobe Based on Carbon Dots from o-Phenylenediamine: pH and Solvent Polarity Measurement Nanomaterials, Vedernikova A. A. et al. Dual-Purpose Sensing Nanoprobe Based on Carbon Dots from o-Phenylenediamine: pH and Solvent Polarity Measurement //Nanomaterials. – 2022. – Т. 12. – №. 19. – С. 3314. (год публикации - 2022)
10.3390/nano12193314

2. Кунделев Е.В., Стриевич Е.Д., Тепляков Н.В., Муркина А.Д., Дубавик А.Ю., Ушакова Е.В., Баранов А.В., Федоров А.В., Рухленко И.Д., Рогач А.Л. Structure–Optical Property Relationship of Carbon Dots with Molecular-like Blue-Emitting Centers J. Phys. Chem. C, 126, 18170−18176 (год публикации - 2022)
10.1021/acs.jpcc.2c05926

3. Наталин Н.В., Кунделев Е.В., Рухленко И.Д., Тепляков Н.В. Optical properties of twisted bilayer graphene with magnetic defects Electronic Structure, Natalin N. et al. Optical Properties of Twisted Bilayer Graphene with Magnetic Defects //Electronic Structure. – 2023. - № 5. - С. 024008. (год публикации - 2023)
10.1088/2516-1075/acdbf5

4. Степаниденко Е.А., Мирущенко М.Д., Королева А.В., Жижин Е.В., Митрошин А.М., Парфенов П.С., Черевков С.А., Ушакова Е.В. ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ХИРАЛЬНЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОЧАСТИЦ НА ОСНОВЕ ГЛУТАТИОНА Оптика и Спектроскопия (год публикации - 2023)

5. Ушакова Е.В. Functionalization of carbon nanoparticles METANANO SUMMER SCHOOL ON NANOPHOTONICS AND ADVANCED MATERIALS. Book of Abstracts., Ushakova, E.V.Functionalization of carbon nanoparticles / E.V. Ushakova // METANANO SUMMER SCHOOL ON NANOPHOTONICS AND ADVANCED MATERIALS. Book of Abstracts. - 2023. - Pp. 9 (год публикации - 2023)

6. Тучин В.С. Determining the position dependence of CDs optical transitions in the red and near-infrared spectral regions METANANO SUMMER SCHOOL ON NANOPHOTONICS AND ADVANCED MATERIALS. Book of Abstracts., Tuchin, V.S. Determining the position dependence of CDs optical transitions in the red and near-infrared spectral regions / V.S. Tuchin // METANANO SUMMER SCHOOL ON NANOPHOTONICS AND ADVANCED MATERIALS. Book of Abstracts. - 2023. - Pp. 45 (год публикации - 2023)

7. Ушакова Е.В., Черевков С.А., Степаниденко Е.А., Ведерникова А.А., Мирущенко М.Д., Арефина И.А., Данилов Д.В., Королева А.В., Жижин Е.В., Рогач А.Л. Amphiphilic Carbon Dots Carbon Chemistry and Materials. Book of Abstracts., Ushakova E.V., et al. Amphiphilic Carbon Dots // Carbon Chemistry and Materials. Book of Abstracts. - 2023. - Pp. 52 (год публикации - 2023)

8. Бохань Чжан, Бинчжэ Ван, Елена В. Ушакова, Бинчэнь Хэ, Гуйчуань Син, Цзыкан Тан, Андрей Л. Рогач, Суннань Цюй Assignment of Core and Surface States in Multicolor-Emissive Carbon Dots Small, 2204158 (год публикации - 2022)
10.1002/smll.202204158

9. Степаниденко Е.А., Ведерникова А.А., Мирущенко М.Д., Дададжанов Д.Р., Феферман Д., Чжан Б., Цюй С., Ушакова Е.В. Red-Emissive Center Formation Within Carbon Dots Based on Citric Acid and Formamide The Journal of Physical Chemistry Letters (год публикации - 2023)
10.1021/acs.jpclett.3c02837

10. Тучин В.С., Степаниденко Е.А., Ведерникова А.А., Черевков С.А., Ли Д., Ли Л., Дёринг А., Отепка М., Ушакова Е.В., Рогач А.Л. Optical Properties Prediction for Red and Near-Infrared Emitting Carbon Dots Using Machine Learning Small, Small 2024, 20, 2310402 (год публикации - 2024)
10.1002/smll.202310402

11. Ведерникова А.А., Мирущенко М.Д., Арефина И.А., Се Дж., Хуанг Х., Королева А.В., Жижин Е.В., Черевков С.А., Тимин А.С., Митусова К.А., Шипиловских С.А., Ушакова Е.В. Green and Red Emissive N,O-Doped Chiral Carbon Dots Functionalized with l-Cysteine ISSN The Journal of Physical Chemistry Letters, J. Phys. Chem. Lett. 2024, 15, 113−120 (год публикации - 2023)
10.1021/acs.jpclett.3c02981

12. Черевков С.А., Степаниденко Е.А., Мирущенко М.Д., Зверков А.М., Митрошин А.М., Маргарян И.В., Спиридонов И.Г., Данилов Д.В., Королева А.В., Жижин Е.В., Байдакова М.В., Соколов Р.В., Санджиева М.А., Ушакова Е.В., Рогач А.Л. Amphiphilic acetylacetone-based carbon dots ISBN Journal of Materials Chemistry C, J. Mater. Chem. C, 2024, 12, 3943–3952 (год публикации - 2024)
10.1039/D3TC04675C

13. Степаниденко Е.А., Ведерникова А.А., Митрошин А.М., Арефина И.А., Парфенов П.С., Черевков С.А., Ушакова Е.В. Исследование хироптических свойств углеродных точек, полученных из лимонной кислоты и формамида с добавлением хиральных соединений ISSN Journal of Optical Technology, Journal of Optical Technology Vol. 91, Issue 6, pp. 421-428 (2024) (год публикации - 2024)
10.1364/JOT.91.000421

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В результате выполнения работ на третьем этапе настоящего проекта были: Получены образцы стабильных хиральных углеродных наночастиц с оптическими переходами в области 600–900 нм и/или высокими значениями факторов диссимметрии: углеродные наночастицы на основе лимонной кислоты, этилендиамина и формамида, обработанные хиральными молекулами изоцианата, углеродные наночастицы на основе лимонной кислоты, мочевины и диметилформамида, обработанные хиральными молекулами цистеина, углеродные наночастицы на основе глутатиона и формамида, амфифильные углеродные наночастицы на основе солей формамидиния и хиральной молекулы α-метилбензиламина. Установлены зависимости оптических параметров от условий синтеза с помощью моделей машинного обучения. На основе полученных данных были оптимизированы методики синтеза и получены образцы хиральных углеродных наночастиц с улучшенными свойствами. Углеродные наночастицы на основе глутатиона обладают самыми длинноволновыми оптическими переходами (680–720 нм). Углеродные наночастицы на основе лимонной кислоты, мочевины и диметилформамида обладают самым высоким квантовым выходом фотолюминесценции (25%) для полосы с максимумом на 620–630 нм. Амфифильные углеродные наночастицы обладают самыми высокими значениями фактора диссимметрии ~ 0,5·10– 3. Углеродные наночастицы на основе лимонной кислоты, этилендиамина и формамида, обработанные изоцианатами, обладают самым длинноволновым сигналом в спектрах кругового дихроизма – полоса наблюдается в области 350 нм с фактором диссимметрии равным 0,8·10– 4. Получены зависимости оптических откликов от параметров среды, показано, что хиральные углеродные наночастицы на основе лимонной кислоты являются стабильными при изменении температуры и значений pH среды, а также при наличии ионов металлов. Разработаны методики синтеза и получены образцы люминесцентных композитов с заданными физико-химическими свойствами: УНЧ, легированных ионами гадолиния, для биовизуализации, микросфер ватерита с УНЧ и магнитными наночастицами для управляемой доставки, коллоидных комплексов УНЧ с золотыми наночастицами (ЗНЧ) для усиления эффективности фототермической конверсии. Для каждого композита были определены оптимальные параметры синтеза. Полученные стабильные композиты на основе микросфер ватерита со слоем полиэлектролита с углеродными наночастицами на поверхности могут быть использованы в водных и биологических средах. Свойства коллоидных комплексов и легированных гадолинием углеродных наночастиц определяются функциональными группами на поверхности углеродных наночастиц, в том числе хиральными молекулами, что делает возможным их использование в водных и биологических средах. Получены зависимости морфологии и оптических откликов композитов различного типа от условий синтеза, химического состава и взаимного расположения компонент. В частности, определен оптимальный тип архитектуры композита на основе углеродных и магнитных наночастиц и микросфер ватерита, покрытых одним или несколькими слоями полиэлектролита: сначала должны быть внедрены магнитные наночастицы в поры ватерита, затем послойно нанесено 1–3 слоя полиэлектролита, далее нанесены углеродные наночастицами на поверхность композита. Получены зависимости спектральных откликов композита от параметров оптического излучения (длина волны возбуждения): отклики углеродных наночастиц в композитах изменяются при изменении длины волны возбуждения схожим образом с квазиизолированными углеродными наночастицами в растворах. Было показано, что разработанные композиты на основе углеродных наночастиц могут быть использованы для проверки цитотоксичности и выступать в качестве агентов для визуализации с помощью люминесцентной спектроскопии, магнитно-резонансной томографии, а также использоваться в качестве агентов в проточной цитометрии. Оценена эффективность фототермической конверсии разработанных углеродных наночастиц с оптическими переходами в красной области спектра трех типов: на основе лимонной кислоты и формамида, на основе лимонной кислоты, мочевины и диметилформамида, на основе глутатиона и формамида. Оказалось, что углеродные наночастицы на основе лимонной кислоты обладают более стабильными свойствами в водных растворах по сравнению с углеродными наночастицами на основе глутатиона. Коэффициент термического преобразования для углеродных наночастиц на основе лимонной кислоты и формамида с концентрацией 300 мкг/мл составил 18,4% при облучении лазером с длиной волны 638 нм и 7,9% при облучении лазером с длиной волны 1020 нм (при мощности падающего излучения 0,6 Вт/см2). Коэффициент термического преобразования для углеродных наночастиц на основе лимонной кислоты, мочевины и диметилформамида составил 19,0% при облучении лазером с длиной волны 638 нм и мощностью 0,6 Вт/см2. Было установлено, что разработанные углеродные наночастицы обладают слабым сигналом фотолюминесценции при возбуждении источником света с длиной волны большей, чем длина волны фотолюминесценции. Оценена эффективность фототермической конверсии хирального коллоидного комплекса, состоящего из углеродных и золотых наночастиц. Было установлено, что разработанная методика одновременного ковалентного связывания ахиральных углеродных наночастиц на основе лимонной кислоты, мочевины и диметилформамида с золотыми наночастицами и хиральными молекулами цистеина позволяет получить хиральные комплексы за счет наличия аминов на поверхности ахиральных углеродных наночастиц, в то время как с другими типами углеродных наночастиц ковалентного связывания наночастиц не происходит. Коэффициент фототермического преобразования составляет 3,5% хиральных комплексов. Данное наблюдение указывает, что углеродные наночастицы могут быть использованы как отдельно, так и в составе комплексов для задач тераностики.

Публикации