Ученые, включая специалистов из Казанского федерального университета, достигли значительного успеха в наномедицине. Они разработали многофункциональные наноструктуры типа «ядро—оболочка» на основе редкоземельных элементов. Эти наночастицы обладают как люминесцентными, так и магнитными свойствами, что создает новые возможности для мультимодальной медицинской визуализации и диагностики.
В исследовании, опубликованном в журнале ScienceDirect, представлен новаторский метод гидрофилизации наночастиц с применением полиэтиленимина. Это позволяет получать устойчивые коллоидные растворы, пригодные для применения в биологических системах. Отмечается, что гадолиний придает наночастицам магнитные свойства, улучшая контрастность МРТ, а иттербий, эрбий и церий обеспечивают люминесцентные свойства.
Как объяснил Рустэм Амиров, заведующий кафедрой неорганической химии Химического института им. А. М. Бутлерова КФУ и один из авторов работы, главная задача исследования заключалась в создании многофункциональных наночастиц «ядро—оболочка», способных к ап- и даун-конверсионной люминесценции.
Амиров подчеркивает: «Ионы гадолиния в составе наночастиц придают им магнитные свойства, делая их потенциальными контрастными агентами для МРТ. Иттербий, эрбий и церий обеспечивают высокие люминесцентные характеристики. Таким образом, полученные наночастицы сочетают оба свойства и могут быть применены в мультимодальной биовизуализации после дальнейших усовершенствований».
В ходе работы были синтезированы новые наночастицы со структурой «ядро—оболочка». Важным шагом стала их гидрофилизация с применением дигидроксибензойной кислоты и полиэтиленимина (PEI), благодаря чему наночастицы образуют устойчивые коллоидные растворы в воде и биологических средах.
Инженер кафедры неорганической химии Химического института, Рамиля Гатауллина, объясняет, что наночастицы на основе фторидов металлов, легированные лантаноидами, уникальны тем, что могут объединять разные виды люминесценции и магнитные свойства в одной структуре «ядро—оболочка». Она также отметила, что при синтезе часто используются олеаты, делающие наночастицы гидрофобными и нерастворимыми в воде. Для биомедицинского применения их поверхность необходимо модифицировать, чтобы обеспечить стабильность в водной среде.
Старший научный сотрудник НИЛ «Полимерные смарт-материалы и нанокомпозиты» Александр Солодов сообщил, что наночастицы с ионами гадолиния (Gd3+) эффективно уменьшают время релаксации протонов, тем самым значительно повышая контрастность изображений при их использовании в качестве контрастных агентов для МРТ.
Александр Солодов дополнил: «Редкоземельные элементы привлекают внимание благодаря своим люминесцентным свойствам, охватывающим широкий спектр от ультрафиолета до ближнего инфракрасного излучения. Это делает их перспективными для оптических сенсоров и биомаркеров. Их магнитные свойства обусловлены неспаренными электронами, что обеспечивает значительный парамагнетизм и эффективную спин-орбитальную связь».
В работе акцент сделан на наночастицах типа «ядро—оболочка» из фторидов металлов, легированных лантаноидами. Исследователи подчеркивают, что эти наночастицы могут сочетать различные люминесцентные и магнитные свойства в одном материале.
Рамиля Гатауллина вновь подчеркнула, что на этапе синтеза подобных наночастиц часто применяются олеаты в качестве стабилизатора, что делает частицы гидрофобными и нерастворимыми в воде. Для биомедицинского использования их поверхность требуется модифицировать, чтобы они стали гидрофильными и стабильными в водной среде.
Ученые отмечают, что разработанные наночастицы имеют скорости релаксации, сравнимые с коммерческими контрастными веществами, что подтверждает их высокий потенциал для практического использования.
Александр Солодов уточнил: «Присутствие ионов гадолиния в оболочке значительно улучшает функциональность наночастиц, делая их эффективными контрастными агентами для Т1-взвешенной МРТ. Тем не менее, для прямого применения в биомедицинских исследованиях они еще нуждаются в доработке».
Сочетание оптических сигналов и МРТ-контраста открывает новые горизонты для комплексных диагностических и терапевтических методов. Это особенно ценно для хирургии и флуоресцентного мониторинга в реальном времени, что позволяет повысить точность вмешательств, минимизировать повреждение здоровых тканей и увеличить вероятность полного удаления пораженных участков. Более того, потенциал этих наночастиц простирается за пределы медицинского применения.
Рустэм Амиров добавил: «Подобные наночастицы «ядро—оболочка» (например, NaYF4:Yb/Er@NaGdF4:Ce/Tb), объединяющие различные люминесцентные и магнитные свойства, перспективны для использования в качестве бимодальных защитных чернил против подделок, а также как мультимодальные контрастные агенты для оптической флуоресцентной микроскопии и МРТ. Помимо этого, они могут выступать в роли неинвазивных удаленных температурных датчиков в физиологическом диапазоне (35–40 градусов Цельсия)».
В заключение, многофункциональные наночастицы со структурой «ядро—оболочка» представляют собой крайне перспективное направление, интегрирующее оптические и магнитные методы визуализации и диагностики. Их дальнейшее совершенствование и тщательная проверка безопасности откроют широкие возможности для применения этих материалов в медицине и других сферах, способствуя развитию точной диагностики и эффективной терапии.
