Регистрация / Вход
Прислать материал

14.604.21.0078

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.604.21.0078
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет"
Название доклада
Синтез и исследование наноразмерных ассоциированных гибридов для создания люминесцентных маркеров медико-биологического применения
Докладчик
Маньшина Алина Анвяровна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью данного прикладного научного исследования является создание специализированных наноразмерных ассоциированных гибридов для организации производства люминесцентных маркеров нового типа медико-биологического применения. На основе разработанных в результате выполнения проекта новых наноматериалов будут созданы новые медицинские препараты и приборы экспресс-диагностики широкого круга заболеваний на ранней стадии их развития.
Научно-техническая задача: исследование процессов формирования фотостабильных кристаллических наноразмерных ассоциированных гибридов, состоящих из люминесцентных наночастиц, в том числе ап-конверсионных, и металлических наночастиц (золото, серебро), обладающих плазмонным резонансом.
Стратегической целью проекта, в конечном итоге, является реализация индустриальным партнером программы внедрения в медицинских учреждениях Российской Федерации новых подходов в диагностике и лечении онкологических заболеваний (в том числе, доброкачественных и злокачественных заболеваний), базирующихся на новейших достижениях фундаментальных и прикладных исследований в медицине, физике, химии, биологии, оптических и лазерных технологиях, включая работы авторов проекта.
Актуальность и новизна исследования
В последнее время широко обсуждаются медицинские технологии, в которых используются материалы с линейными размерами в несколько десятков нанометров. В онкологии на стыке фундаментальных наук – физики, химии и биологии, а также медицины и технологии получения наноматериалов сформировалось направление «Cancer nanotechnology», разрабатывающее методы молекулярной диагностики и терапии онкологических заболеваний. Современные методы раннего детектирования, которые основываются на методах рентгеновской компьютерной томографии и магнитно-резонансной томографии, определяют опухоль, когда она становится достаточно большой – размером с кусочек сахара рафинада и содержит более 10 миллиардов клеток. Очевидно, что актуальной задачей является повышение чувствительности и разрешающей способности методов диагностики. Решением вышеупомянутой задачи может стать создание нового типа люминесцентных меток, которые позволили бы исследовать и характеризовать очаги поражения на клеточном и субклеточном уровне, вплоть до уровня регистрации отдельных молекул маркеров.
В настоящем проекте предлагается создание фотостабильных нанокристаллических ассоциированных гибридов, состоящих из легированных редкоземельными металлами нанокристаллических оксидных материалов, спектр люминесценции которых определяется природой редкоземельного иона, а так же наночастиц благородных металлов (золото, серебро). Увеличение интенсивности люминесценции ассоциированных гибридов достигается за счет поверхностного плазмонного резонанса золотых и серебряных наночастиц, что приводит к повышению чувствительности люминесцентных меток.
Описание исследования

При разработке вариантов возможных решений задачи создания наноразмерных ассоциированных гибридов, состоящих из люминесцентных наночастиц и наночастиц благородных металлов учитывалось, что в настоящее время синтез гибридных наноструктур может быть осуществлен с использованием одного из трех принципиально различных подходов. К первому способу можно отнести все методы синтеза, основанные на формировании наночастиц и дальнейшем объединении их в одну структуру – методы агрегации. Фактически, этот способ является развитием методов синтеза «снизу-вверх», но не останавливается на образовании отдельных наночастиц/наноструктур, а включает в себя и последующее формирование сложных многокомпонентных материалов за счет объединения исходных наноструктур в конечный гибрид. Второй и самый распространенный подход заключается в проведении последовательной цепочки синтезов. Результатом такого последовательного синтеза могут быть многослойные пленочные структуры, наночастицы в порах матрицы или наноструктуры, известные под названием «ядро-оболочка» (англ. core-shell). Третий способ заключается в параллельном синтезе гибридных наноструктур и наночастиц, образующих гибрид, без предварительной подготовки отдельных компонент. Исходя из проведенных исследований, был сделан вывод, что наиболее развитыми и, следовательно, наиболее перспективными являются методы последовательного синтеза структуры типа «ядро-оболочка» с металлическим ядром или оболочкой.

В ходе выполнения проекта сначала были разработаны способы синтеза составных частей наноразмерных ассоциированных гибридов (люминесцентных наночастиц и наночастиц благородных металлов) и проведены исследования их физико-химических свойств.

Люминесцентные наночастицы, легированные ионами редкоземельных металлов, были синтезированы с помощью различных модификаций метода Печини. Преимущества стандартного метода Печини состоят в том, что он позволяет приготовить сложные составы, обеспечивает хорошую однородность через смешение исходных компонентов на молекулярном уровне в растворе, позволяет контролировать стехиометрию в синтезируемых образцах, а также не требует высокой температуры для реализации процесса. Основным недостатком стандартного метода Печини является сильная агломерация полученных частиц, поэтому разработанные в данном проекте модификации метода синтеза были направлены на ослабление данного процесса. Структурные и люминесцентные свойства синтезированных наночастиц исследовались с помощью рентгеноструктурного анализа, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии, статического рассеяния света и спектрофлуориметрии.

Наночастицы благородных металлов были синтезированы двумя различными способами: лазерно-индуцированным и прямым лазерным методом. С помощью лазерно-индуцированного метода были получены Au-Ag наночастицы, с управляемым положением плазмонного резонанса. Прямой лазерный синтез был использован для создания серебряных наночастиц с характеристическим пиком поглощения в области длин волн 420-430 нм. Физико-химические свойства наночастиц благородных металлов были изучены с помощью сканирующей микроскопии, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии и спектроскопии поглощения. В результате наиболее перспективным методом для создания наночастиц благородных металлов, обладающих плазмонным резонансом, был признан лазерно-индуцированный метод синтеза.

Экспериментальные образцы наноразмерных ассоциированных гибридов были синтезированы с помощью последовательного метода синтеза с люминесцентными наночастицами (YVO4:Eu3+) в качестве ядра и биметаллическими наночастицами Au-Ag в качестве оболочки. В ходе исследований было обнаружено, что для реализации усиления люминесценции за счет плазмонного резонанса люминофор должен находиться достаточно близко к плазмонной наноструктуре, однако, непосредственное прикрепление к поверхности металлической наночастицы приводит к тушению люминесценции из-за безызлучательного распада, происходящего через перенос энергии/заряда на металл. Чтобы избежать тушения люминесценции, между люминофором и металлической поверхностью должен быть промежуточный слой диэлектрика, оптимальным материалом для которого является диоксид кремния. Исследование свойств наноразмерных ассоциированных гибридов проводилось с помощью просвечивающий и сканирующей микроскопии, энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии. Кроме того, для определения коэффициента усиления люминесценции в ассоциированных гибридах использовалась спектрофлуориметрия.

Результаты исследования

Проведена разработка методик синтеза следующих экспериментальных образцов: металлорганических кластерных соединений: прекурсоров для синтеза наночастиц; неорганических люминесцентных наночастиц; наночастиц благородных металлов лазерно-индуцированным методом; наночастиц благородных металлов прямым лазерным методом. При разработке методики синтеза металлорганических кластерных соединений –прекурсоров для синтеза наночастиц проведен сравнительный анализ возможных методов синтеза экспериментальных образцов металлорганических кластерных соединений – прекурсоров для синтеза наночастиц и установлено, что в качестве базового подхода необходимо использовать метод самосборки. При разработке методики синтеза неорганических люминесцентных наночастиц за основу был выбран метод Печини как наиболее перспективный для решения поставленной задачи – синтеза наноразмерных слабо агломерированных люминесцентных частиц. Синтез наночастиц благородных металлов разрабатывался на основе подходов, использующих лазерное излучение, а именно – лазерно-индуцированный синтез и прямой лазерный синтез. По разработанным методикам синтеза синтезированы:

- экспериментальные образцы металлорганических кластерных соединений – прекурсоров для синтеза наночастиц удовлетворительной чистоты, с высокими выходами в виде кристаллических порошков с наличием комбинации ионов Au(I)-Ag(I) или Au(I)-Cu(I), с содержанием ионов металлов не менее 10 ат.%, с полосами поглощения в диапазоне от 250 до 450 нм, и с полосами люминесценции от 450 до 950 нм;

- экспериментальные образцы легированных европием алюмоиттриевого граната  (Y3Al5O12:Eu3+), ванадата иттрия (YVO4:Eu3+), алюмомагниевой шпинели (MgAl2O4:Eu3+) и оксида иттрия (Y2O3:Eu3+), а также ванадата иттрия, легированного неодимом (YVO4:Nd3+) с квантовым выходом не менее 10%, стоксовским сдвигом не менее 50 нм и стабильностью люминесценции не менее 30 минут;

- экспериментальные образцы наночастиц благородных металлов лазерно-индуцированным методом - гибридные структуры, которые представляют собой углеродную матрицу, в которую внедрены гетерометаллические Au-Ag наночастицы. Металлические кластеры размером 3-5 нм стохастически распределены в углеродной матрице, размер матрицы может варьироваться в широких пределах от 20 до 300 нм в зависимости от условий эксперимента;

- экспериментальные образцы наночастиц серебра прямым лазерным методом из растворов различного компонентного состава – аммиачно-спиртовые и водные растворы с различными концентрациями и добавками-стабилизаторами.

Кроме того разработаны методики исследования физико-химических и функциональных свойств полученных экспериментальных образцов.

В проекте разработан лабораторный регламент синтеза наноразмерных ассоциированных гибридов. Экспериментальные образцы ассоциированных гибридов имеют в составе Ag/Au и ионы редкоземельных металлов, их размер не превышает 300 нм, среднее расстояние между неорганическими люминесцентными и металлическими наночастицами не превышает 45 нм, стабильность люминесценции составляет не менее 30 минут, а коэффициент усиления люминесценции не менее 1.5. При проведении испытаний наноразмерных ассоциированных гибридов в биологической среде было обнаружено, что расстояние распространения сигнала люминесценции в биологических тканях равно 5 мм.

Об аналогичных разработках в мире на сегодняшний день не известно.

Практическая значимость исследования
В настоящее время ученые разных стран пытаются найти эффективные способы диагностики и лечения неизлечимых, пока, заболеваний, таких как: сахарный диабет, злокачественные новообразования и др. Одним из таких перспективных современных направлений является создание нанокристаллических люминесцентных меток для визуализации молекулярных маркеров в клетках и тканях. Применение люминесцентных меток в биологии и медицине перспективно с точки зрения исследования и характеризации очагов поражения, а использование наноразмерных люминесцентных меток позволяет проводить диагностику на клеточном и субклеточном уровне, вплоть до регистрации отдельных молекул маркеров. Кроме того, люминесцентные метки начинают использоваться для диагностики и точного определения границ поражённой области.
Выявление с высоким разрешением паталогически измененных тканевых и клеточных структур станет возможным с использованием особого класса люминесцирующих нанокристаллов: наноразмерных ассоциированных гибридов, состоящих из люминесцентных наночастиц и металлических наночастиц (золото, серебро). Возможность ранней диагностики должна обеспечить повышение качества жизни и увеличение средней продолжительности жизни населения.
Потребителями научно-технических результатов проведенных исследований могут быть как учреждения, занимающиеся биохимическими исследованиями, так и медицинской диагностикой. Кроме того, возможными потребителями научно-технических результатов являются производственные организации, выпускающие или планирующие выпуск медицинских приборов молекулярной диагностики (экспресс-диагностики) и терапии онкологических заболеваний.
Постер

Poster.ppt