«Программировать» свойства люминесцентных наночастиц для медицины и фотоники научились в ЮФУ

Технологию, позволяющую выращивать люминесцентные наночастицы с заранее заданными размерами и свойствами, представили ученые из Южного федерального университета. Получаемые наноматериалы можно использовать в биомедицине (например, онкотерапии), фотонике и других сферах, где важен точный контроль над поведением вещества под световым излучением. Краеугольные камни этого подхода — проточный синтез, мгновенный анализ продуктов реакции и искусственный интеллект, ускоряющий обработку результатов экспериментов.

Наноуровень дарит исследователям необычную возможность: регулируя размер наночастиц, можно одновременно управлять их свойствами. Ученые ЮФУ представили технологию контролируемого синтеза люминесцентных наночастиц из фторида лантана, легированных редкоземельными элементами. Исследователи смогли получать однородные гексагональные нанопризмы размерами от 3 до 100 нм, заранее «программируя» их оптические, магнитные и каталитические свойства через изменение параметров синтеза.

«Золотая зона» наноматериалов — именно так ученые называют выбранный диапазон размеров частиц. Дело в ценных свойствах: до 10 нм особенно отчетливо наблюдаются квантовые эффекты, в то время как частицы размерами 10–100 нм обладают наилучшим сочетанием люминесценции, магнитных свойств и стабильности.

Сферы применения таких люминесцентных частиц многообразны — биомедицина, различные сенсоры, фотонные устройства. Например, наночастицы размером 10–30 нм можно применять в качестве люминесцентных маркеров и для обнаружения рентгеновского излучения.

Работа ученых ЮФУ по получению люминесцентных наночастиц стартовала несколько лет назад в рамках проекта РНФ, нацеленного на разработку нового подхода к лечению серьезных онкологических заболеваний. Об этом корреспонденту «Научной России» рассказали научный руководитель направления «Науки о материалах и синхротронно-нейтронные исследования» ЮФУ, доктор физико-математических наук Александр Владимирович Солдатов и заведующий лабораторией новых образовательных технологий Международного исследовательского института интеллектуальных материалов (МИИ ИМ) ЮФУ, кандидат физико-математических наук Илья Андреевич Панкин.

«Этот проект касается такого раздела медицины, как онкология. Мы хотели получить инструмент для борьбы с серьезными онкологическими заболеваниями — например, меланомой. В этом случае патология развивается на поверхности кожи и одновременно дает метастазы внутри. Один из методов лечения онкозаболеваний — фотодинамическая терапия (лечение, при котором в организм вводятся структуры-фотосенсибилизаторы, под действием видимого света вырабатывающие активные формы кислорода, разрушающие опухоль. — Примеч. корр.), но она позволяет бороться только с поверхностными типами рака, — объяснили А.В. Солдатов и И.А. Панкин. — Чтобы проникнуть глубоко внутрь организма, мы решили использовать рентгеновское излучение. Но чтобы оно могло действовать по принципу фотодинамической терапии, вызывая появление активных форм кислорода, нужно было сначала создать нанокомпозиты из двух видов наночастиц. Одни наночастицы должны были переводить рентгеновское излучение в оптический диапазон, а вторые — поглощать излучаемый видимый свет с выделением активных форм кислорода, локально разрушающих злокачественные клетки».

В качестве основы для наночастиц и легирующих элементов исследователи выбрали элементы из семейства лантаноидов.

«Мы поняли, что для решения наших задач наиболее перспективны наночастицы рентгеновских люминофоров на основе тяжелых элементов. Почему это важно? Сначала нужно эффективно поглотить рентгеновское излучение и переизлучить поглощенную энергию в виде фотона в оптическом диапазоне. Затем этот оптический фотон должен поглотиться молекулой фотосенсибилизатора, — сказал И.А. Панкин. — Не нужно быть физиком, чтобы знать, что рентгеновское излучение хорошо поглощается тяжелыми элементами. Например, для защиты от рентгена широко используется свинец. В нашем случае мы рассматривали такие элементы, как лантаноиды. Они формируют матрицу наноматериала, очень эффективно поглощающую рентген. Стоит добавить, что у наночастиц, содержащих тяжелые элементы, есть как преимущества, так и недостатки. С одной стороны, они хорошо поглощают и переизлучают рентгеновское излучение. С другой стороны, без дополнительной обработки — нанесения специального покрытия — такие частицы токсичны. Организм стремится их вывести и преимущественно перемещает их в печень, а затем — в селезенку. Это показали in vivo эксперименты по биораспределению наночастиц в организмах модельных мышей стандартной породы BALB/c, проведенные нами совместно с ростовским Национальным медицинским исследовательским центром онкологии».

И.А. Панкин отметил, что получаемые его командой наночастицы мультимодальны. Например, их распределение по организму можно увидеть в 3D с помощью рентгеновской томографии, что открывает перспективы использования таких наноструктур для «подкрашивания» нужных областей в организме при диагностике заболеваний.

В настоящее время работы по гранту РНФ завершены, и исследователи переключились с биологических экспериментов на оптимизацию синтеза наночастиц. 

Важную роль в процессе получения частиц играет их легирование — внесение в материал небольших количеств дополнительных элементов. Именно благодаря этим добавкам наноструктуры получают возможность излучать свет.

«Основная функция легирования — наделить наночастицы способностью светиться. Далеко не все лантаноиды, которые мы используем в качестве матрицы наноматериала, сами по себе обладают этим свойством. Особенность лантаноидов заключается в том, что если варьировать содержание разных элементов этого семейства в наночастице, можно менять диапазон цветов (длин волн) света, в котором она будет переизлучать рентген, — пояснил И.А. Панкин. — Разные легирующие элементы могут давать свечение в разном диапазоне длин волн. С учетом свойств фотосенсибилизаторов мы обычно используем для легирования европий или тербий. Если наночастица будет допирована (дополнена. — Примеч. корр.) тербием, она будет испускать зеленый свет, если европием — преимущественно оранжево-красный. В то же время второй компонент нанокомпозита — молекула фотосенсибилизатора — в зависимости от своего типа может “откликаться” на излучение зеленого или оранжевого цвета. И если мы правильно сочетаем обе части нанокомпозита, то получим материал с высокой эффективностью.

Важно подобрать правильную концентрацию допирующего элемента. Она не должна быть слишком высокой, чтобы избежать так называемого эффекта самопоглощения. Казалось бы, чем больше в наночастицу добавить тербия, тем ярче она будут светиться. Но это не совсем так — существует некая золотая середина, и на нее как раз нужно ориентироваться при оптимизации легирования.  Помимо этого, чтобы легирование в принципе стало возможным, у участвующих в процессе элементов должны совпадать определенные химические критерии. Например, у атома из матрицы материала и атома допирующего элемента, на который он замещается, должен примерно совпадать ионный радиус».

Важнейшие «рычаги», на которые ученые воздействуют в процессе синтеза, чтобы точно регулировать размер получаемых наночастиц, — температурный режим, время, концентрации реагентов и поверхностно-активных веществ, а также скорость подачи и смешения реагентов. Помимо этого, на результат влияют кислотность (pH) раствора и тип растворителя.

Итоги экспериментов ученые представили в журнале Materials Today Nano. Основной автор статьи — ведущий научный сотрудник международной исследовательской лаборатории функциональных материалов МИИ ИМ ЮФУ, кандидат физико-математических наук Олег Евгеньевич Положенцев.

«Ближе к завершению работы в рамках основного проекта по гранту Российского научного фонда мы стали применять технологии проточного синтеза. В исследовании О.Е. Положенцева, как раз были использованы так называемые микрофлюидные технологии. Этот подход позволяет в сжатые сроки перебрать много разных параметров химического синтеза, при этом экономя химические реактивы. Так, мы можем провести легирование наночастиц множеством различных способов, а затем выбрать лучший вариант, — поделился И.А. Панкин. — Эта технология очень важна, и мы ожидаем, что в ближайшее время она позволит не только нам, но и другим лабораториям по всему миру оптимизировать параметры синтеза и в итоге получать наиболее эффективные материалы».

Исследователи выявили интересные закономерности: например, запустить процесс увеличения наночастиц можно с помощью повышения температуры. Но затем рост останавливается, и чтобы возобновить его, нужно снова откорректировать условия синтеза — например, изменить кислотность среды или опять повысить температуру.

Получить наночастицы требуемого размера не так просто. Малейшие изменения параметров могут резко изменить результат, приведя к «взрывному» образованию частиц с другими характеристиками. Особенно сложно оказалось управлять синтезом наноструктур размерами от 3 до 30 нм: у наноматериалов в этом диапазоне может меняться электронная структура, возрастает химическая активность, а на свойства уже влияет не столько объем вещества, сколько параметры поверхности наночастиц.

Сочетание определенных размеров с конкретными типом и концентрацией легирования также позволяет регулировать свойства наночастиц. Так, при оптимальном легировании увеличение размера частиц повышает яркость их свечения, а уменьшение усиливает их биологическую и каталитическую активность. Кстати, исследователи полагают, что их опыт в области управления размерами и структурой наночастиц может в перспективе пригодиться при разработке новых фото- и электрокаталитических систем, в том числе в водородной энергетике.

Технология была испытана на соединениях лантана, но ее можно адаптировать и для фторидов, оксидов и оксифторидов других редкоземельных металлов.

«Наше структурное подразделение развивается в направлении применения методов проточного синтеза, а также использования алгоритмов анализа результатов “на лету”. Мы синтезируем материал, и спустя минуту полученная реакционная смесь попадает в целевой инструмент — например, спектрометр, если мы хотим измерить размер частиц, или флуориметр, если нам нужно оценить их оптические свойства. Комбинируя проточный синтез и так называемый in situ анализ (лат. «на месте». — Примеч. корр.), мы накапливаем большие базы экспериментальных данных. Для их анализа используются алгоритмы искусственного интеллекта. И это не просто дань моде: они действительно помогают быстро отделить удачные условия синтеза от неудачных, сократив масштабы поиска. Многие открытия делались методом проб и ошибок, в то время как комбинация технологий проточной химии, in situ диагностики и ИИ для анализа данных позволяет существенно сэкономить время и, что немаловажно, дорогостоящие химические реактивы, — заключил И.А. Панкин. — Мы продолжаем развивать проект именно с точки зрения оптимизации процесса выращивания наночастиц. Применяемые нами специальные установки одновременно выполняют функции синтеза и анализа продуктов реакций, а ИИ подсказывает нам, куда двигаться дальше — какой использовать элемент и как изменить его концентрацию. Этот эффективный подход позволяет нам получать наночастицы требуемого размера или с более ярким свечением». 

Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ

Фото на превью: Артем Демьяновских / Центр общественных коммуникаций ЮФУ. 

Фото на стоп-кадре видео: Артем Демьяновских / Центр общественных коммуникаций ЮФУ. 

Источники изображений на странице: статья в журнале Materials Today Nano (O.E. Polozhentsev, C. Cárdenas, Z. Li, L.V. Guda, N. Shukla, E.A. Mukhanova, A.V. Soldatov) / предоставлены Центром общественных коммуникаций ЮФУ, Артем Демьяновских / Центр общественных коммуникаций ЮФУ.