Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Проект нацелен на разработку научных основ лазерной технологии получения сверхчистых биосовместимых наноформуляций (НФ) на основе широкого круга перспективных материалов методами абляции твердотельных мишеней и коллоидных растворов мощными лазерными импульсами с последующей функционализацией биополимерами для минимизации иммунного отклика и адресными молекулами для векторной доставки в раковую опухоль, а также апробацией полученных НФ в медицинской диагностике и терапии. 1. В соответствие с ранее заявленным планом, в течение 2019 года были проведены следующие работы: - Была проведена отработка методов фемтосекундной (фс) лазерной абляции и фрагментации в жидких средах (вода, органические растворители, растворы биополимеров, органических растворителей, олигосахаридов, поверхностно-активных веществ) для формирования наноформуляций (НФ), различных по своему составу, структурным и морфологическим свойствам. В качестве источника лазерного излучения использовался фс лазер ТЕТА-10 Компалс (Авеста, Россия, 1030 нм, 25-270 фс, до 200 кГц, до 10 Вт). С точки зрения состава, методы фс лазерной абляции и фрагментации разрабатывались как для моно-элементных, так и для сложных мульти-элементных и, как следствие, мульти-функциональных НФ. В частности, для моно-элементных НФ отработка параметров лазерно-абляционного синтеза с целью оптимизации свойств НФ для проектируемых биомедицинских применений проводилась для коллоидных растворов наночастиц на основе золота, кремния, германия, самария и нитрида титана. В проекте также разрабатывались теоретические подходы моделирования взаимодействия ультракоротких лазерных импульсов с металлическими мишенями для предсказания распределения синтезируемых наночастиц по размеру. - Была проведена отработка и оптимизация режимов напыления нано-структурированных пленок кремния используя методы лазерной абляции в газах низкого давления (гелий, азот при 0,5-5 Торр), а также разработка методов для последующей одновременной абляции мишеней разных материалов с целью получения нанокомпозитов. Для этого в основном использовалась классическая конфигурация импульсного лазерного осаждения (ИЛО) с использованием KrF эксимерного лазера (248 нм, 30 нс). Пленки нанокристаллов кремния, полученные методом ИЛО, генерировали интенсивные сигналы фотолюминесценции, которые могут быть использованы в биоимаджинге. Кроме того, в ходе нашего исследования начались эксперименты по использованию методов лазерно-искровой обработки в газах для производства нанопорошков. Образцы нанокристаллов, полученные в виде пленок методами лазерной абляции в газовой среде были переведены в коллоидные суспензии путем ультразвукового диспергирования в водной среде. - Структурные свойства полученных наноматериалов были исследованы различными методами, включая электронную микроскопию, рентгеновскую дифракцию и комбинационное рассеяние. Кроме того, наноматериалы тестировались методами оптического поглощения, фотолюминесценции, нелинейно-оптического отклика, спектроскопии Рамана. - В рамках проекта были исследованы возможности использования лазерно-синтезированных наночастиц в качестве чувствительных элементов в оптическом биосенсинге, контрастных агентов в биоимаджинге, сенсибилизаторов терапий при внешней стимуляции (оптической, радиочастотной, и т.д.), а также носителей радиофармапрепаратов. Проведены теоретические и экспериментальные исследования по возбуждению оптических резонансных явлений в наночастицах кремния. - В качестве отдельного исследования, были разработаны методы биофункционализации поверхности лазерно-аблированных наночастиц в водных суспензиях. Наиболее перспективным полимером для модификации поверхности лазерно-аблированных наночастиц является полиэтиленгликоль (ПЭГ), который формирует гидратную оболочку на поверхности наночастиц и приводит к уменьшению распознавания наночастиц макрофагами организма, продлению их циркуляции в кровотоке и повышению эффективности имаджинговой и терапевтической функций. Мы применили подходы силановой химии для модификации соединениями ПЭГа различных лазерно-аблированных наночастиц. Кроме того, мы апробировали протоколы конъюгации наночастиц с направляющими молекулами, распознающими широко известный и клинически значимый HER2/neu онкомаркер. В ходе нашего исследования были также разработаны методы связывания лазерно-аблированных наночастиц в водных суспензиях с перспективными радиоизотопами с точки зрения биоимаджинговых и терапевтических применений. - В рамках работы над проектом разрабатывались методики тестирования биосовместимости и тераностических (терапевтических + диагностических) свойств лазерно-аблированных наночастиц в экспериментах на физических и биологических моделях in vivo и in vitro. В частности, разрабатываемая методика тестирования синтезированных НФ включала в себя in vivo оценку безопасности, биораспределения и фармакокинетики на модели малых лабораторных животных (бестимусных мышей). Кроме того, лазерно-синтезированные наночастицы тестировались как контрастные агенты в биоимаджинге и сенсибилизаторы фотогипертермии используя водные суспензии наночастиц кремния, золота и нитрида титана. - Результаты исследования были опубликованы в высокорейтинговых журналах, а также доложены на многочисленных международных и национальных конференциях. 2. В течение 2019 года в рамках выполнения проекта РНФ были получены следующие основные результаты: - Используя методы ультракороткой лазерной абляции в жидкости, были получена целая серия уникальных по своим физико-химическим и оптическим свойствам ультрачистых наноматериалов, включая сферические наночастицы кремния, германия, золота, нитрида титана и других, а также композитных соединений в виде сплавов и структур типа ядро-оболочка. Разработан численный метод, основанный на сочетании подходов молекулярной динамики (МД) и двух температурной модели (ДТМ), который может быть использован для объяснения распределения по размеру частиц, генерируемых при лазерной абляции из твердой мишени. Предложенное исследование помогает контролировать распределение размеров НЧ посредством изменения параметров облучения. - Используя методы лазерной абляции в газовой среде (импульсное лазерное осаждение, лазерно-искровая обработка), получены образцы слоев наночастиц на основе кремния и оксинитрида кремния, которые позволяют генерировать фотолюминесцентную эмиссию в окне прозрачности биологических тканей. В частности, аблируя кремний в атмосфере гелия низкого давления с добавлением азота мы получили различные полосы люминесценции в зеленой – инфракрасной области. При помощи ультразвукового диспергирования лазерно-аблированных слоев и порошков на основе кремния были получены образцы водных суспензий наночастиц с размерами, контролируемо варьируемыми в диапазоне от 10 до 100-200 нм в зависимости от условий формирования и последующей физико-химической обработки (центрифугирование, травление, покрытие биополимерами). - Установлено, что нанокристаллические кремниевые слои, сформированных при наносекундной абляции в газовых средах проявляют эффективную фотолюминесценцию в спектральном диапазоне от 500 до 900 нм, которая объясняется излучательными переходами между локальными электронными состояниями в слое субоксида кремния (полоса с максимумом на 500-550 нм и временами жизни 0,1-1 мкс) и экситонные переходы в нанокристаллах кремния (полоса 600-750 нм и временами жизни более 1 мкс). - Показано, что наночастицы кремния могут обладать мощным нелинейным откликом при оптическом возбуждении, а именно – одновременной генерацией второй гармоники излучения (ГВГ) и двухфотонной люминесценцией (ДЛ), причем генерация сигналов за счет этих двух эффектов прямо пропорциональна размерам наночастиц кремния. То есть их вклад наиболее силен именно для относительно больших наночастиц, а сигнал ГВГ еще и чувствителен к образованию агломераций наночастиц в клетках и тканях. В ходе нашего исследования была продемонстрирована визуализация наночастиц кремния в живых клетках, используя предложенный бимодальный контраст на основе ГВГ и ДЛ откликов. Особенно важно, что такой метод может иметь высокое оптическое разрешение: это позволяет реконструировать 3D-изображения распределения кремниевых наночастиц в клетках и тканях. - Показано, что будучи выложенными в виде периодической матрицы, наночастицы золота могут генерировать диффракционно-связанные локализованные плазмонные резонансы, которые могут быть использованы в биосенсинге для детекции химических аналитов (антигенов – маркеров онкологических и других заболеваний в анализах пациентов, антибиотиков в пищевых продуктах и т.д.) за счет ультрачувствительного контроля оптического показателя преломления биологической среды вблизи поверхности золота. Предложена серия биосенсорных трансдюсеров на основе таких матриц, названных Фурье-нанопреобразователями, которые могут обеспечить ультрачувствительный отклик системы на биореакции на поверхности золотых наночастиц. Получен коллоидно-стабильный в физиологических условиях раствор наночастиц кремния, покрытых карбокси-ПЭГ-силаном для последующей сорбции Re-188. - Продемонстрирована возможность, инкорпорирования первичных аминогрупп под слой 5кДа карбокси-ПЭГ-силана, с сохранением стабильности кремниевых наночастиц. Показана доступность первичных аминогрупп на поверхности для последующего их связывания с радиоизотопом Ga-68. - Показана потенциальная универсальность и возможность применения ПЭГилирования методами силановой химии для стабилизации лазерно-аблированных наночастиц золота. - Разработана методика проведения экспериментов по in-vitro тестированию лазерно-аблированных наночастиц кремния как сенсибилизаторов фотогипертермии при возбуждении непрерывным и импульсно-периодическим излучением лазера с длиной волны 808 нм, в которой выявлены преимущества импульсно-периодического режима для усиления степени локализации гипертермического воздействия. - Разрабатываемая нами методика тестирования тераностических свойств лазерно-синтезированных НФ in vivo была впервые использована для исследования безопасности, биораспределения и фармакокинетики покрытых декстраном золотых наночастиц, полученных методом лазерной абляции в жидкости. Наши данные показывают, что при внутривенном введении золотые наночастицы быстро выводится из кровообращения и накапливается преимущественно в печени и селезенке, не вызывая при этом токсических эффектов для этих органов. При этом не обнаружено изменений каких-либо биохимических параметров, что свидетельствует об отсутствии токсичности. В целом, наши тесты подтвердили перспективность использования лазерно-синтезированных наночастиц золота в биологических системах in vivo.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Проект нацелен на разработку научных основ лазерной технологии получения сверхчистых биосовместимых наноформуляций (НФ) на основе широкого круга перспективных материалов методами абляции твердотельных мишеней и коллоидных растворов мощными лазерными импульсами с последующей функционализацией биополимерами для минимизации иммунного отклика и адресными молекулами для векторной доставки в пораженную область, а также апробацией полученных НФ в медицинской диагностике и терапии. Кроме того, в качестве пилотного исследования в проекте анализируются возможности использования синтезированных наноматериалов в смежных биомедицинских приложениях, включая оптическую биосенсорику, биовизуализацию в клетках и тканях и других. В соответствие с ранее заявленным планом, в течение 2020 годы были проведены следующие работы: - Продолжена разработка модели, комбинирующей подходы молекулярной динамики (МД) и двух-температурной модели (ДTM), для объяснения полученных распределений наночастиц по размерам. В частности, были проведены численные исследования, учитывающие конкурентный вклад механизмов теплового и кавитационного взрыва, для воспроизведения экспериментального бимодального распределения наночастиц по размерам при фс лазерной абляции металлической мишени. Кроме того, на примере мишени из алюминия проводился анализ возможностей подавления одной или другой популяции наночастиц в бимодальном распределении за счет изменения параметров излучения. – Была модернизирована установка лазерного синтеза наноматериалов в жидкости на основе фс лазера ТЕТА-10 Компалс (Авеста, 1030 нм, 270 фс, до 200 кГц), которая использует «горизонтальную» конфигурацию с фокусированием пучка лазера через стенку кюветы с жидкостью на вертикально установленную в кювете мишень. Модернизация включала в себя введение режима перемещения лазерного луча относительно поверхности мишени (вместо перемещения мишени) и его быстрого сканирования, значительное увеличение частоты следования лазерных импульсов, и разработка системы циркуляции синтезируемого коллоидного раствора с целью организации непрерывного процесса синтеза. Данная модернизация привела к увеличению производительности лазерно-абляционного синтеза наноматериалов в 10-50 раз в зависимости от материала (например, с 1 мг/час до 20 мг/час для золота). Кроме того, разрабатывались методики на основе фс лазерной абляции в жидкости для синтеза целого ряда новых перспективных наноматериалов для биомедицинских применений, включая наночастицы TiN и Bi, наносплавов (PdAu) и нанокомпозитов типа ядро-оболочка (Au-Fe). - Используя конфигурацию импульсного лазерного осаждения (ИЛО), предполагающую абляцию излучением KrF эксимерного лазера (248 нм, 30 нс) твердой мишени в газах низкого давления (гелий, азот при 0,5-5 Торр), были отработаны режимы напыления нано-структурированных пленок кремния и германия. Изучались возможности влияния параметров эксперимента (в частности, давления остаточного газа) на морфологию получаемых слоев, а также на сигналы фотолюминесцентной эмиссии с напыляемых нанокристаллических пленок. В рамках выполнения работ по проекту проводились также эксперименты по использованию методов лазерно-искровой обработки. В частности, были изучены новые геометрии поджигания лазерной искры с использованием различных параметров инфракрасного излучения. Исследовались также возможности напыления лазерно-аблированного наноструктурированного материала на отдельную подложку, а также последующего размельчения таким образом полученной напыленной наноструктурированной пленки и диспергирования нанокристаллов в водных растворах. Отработанные методики использовались для приготовления нанокристаллов кремния. - Структурные свойства полученных наноматериалов были исследованы различными методами, включая электронную микроскопию, рентгеновскую дифракцию, динамическое рассеяние и других. Кроме того, наноматериалы тестировались методами оптического поглощения, фотолюминесценции, нелинейно-фотоакустического отклика, спектроскопии Рамана. Магнитные свойства наночастиц измеряли с помощью сверхпроводящего устройства квантовой интерференции (SQUID) магнитометра. Магнитные кривые были измерены при T = 300 и 5 K. - Для дальнейшей модификации лазерно-аблированных частиц и наноагентов другой природы были наработаны белковые адресные молекулы на основе аффибоди ZHER2:342, специфично разпознающий человеческий онкомаркер HER2/neu и связывающийся с высокой афинностью, равной 22 пМ, рецептор, и продемонстрированы методы их связывания с наноформуляциями PLGA. Кроме того, нами изучались альтернативные транспортные средства для адресной доставки тераностических НФ в пораженные органы. Объектом нашего внимания были красные кровяные клетки эритроциты, которые рассматриваются как очень перспективные носители в силу полной биосовместимости. Была создана система на основе лазерного пинцета для характеризации эритроцитов и оценки их взаимодействия с наночастицами. - Проведены работы по функционализации лазерно-синтезированных наночастиц TiN полиэтиленгликолем (ПЭГ) для обеспечения их малой видимости иммунной системой и впервые исследовано взаимодействие этих наночастиц (покрытых и непокрытых ПЭГом) с биологическими системами in vitro и in vivo. - Исследованы наночастицы Si, синтезированные методами лазерной абляции в воде, в качестве сенсибилизаторов фототермической терапии при лазерном возбуждении в окне относительной прозрачности биотканей. Проведена оценка эффективности наночастиц в сенсибилизации гипертермии на биологической модели in vitro с использованием суспензионных клеток Paramecium Caudatum. - Были проведены эксперименты по сорбции Ga-68 на наночастицы кремния и оценка стабильности полученных таким образом конъюгатов, а также оценка их взяимодействия с биологическими системами. - Был проведен анализ возможностей использования НЧ кремния как контрастных агентов в магнитно-резонансной томографии (МРТ). В частности, были экспериментально исследованы наночастицы (НЧ) кристаллического кремния (Si), легированные железом (Fe) и было отмечено уменьшение как поперечного, так и продольного время релаксации протонной намагниченности из-за высокой плотности спиновых центров электронов в наночастицах. 2. В течение 2020 года в рамках выполнения проекта РНФ были получены следующие основные результаты: - Используя численные подходы на основе гибридной МД-ДТМ модели, были выявлены возможные механизмы генерации бимодального распределения при фс лазерной абляции металлических мишеней в воде, связанные с фазовым взрывом (термальное повреждение) или, в случае скорости нагрева, превышающего скорость акустической релаксации мишени, с отколом приповерхностного слоя (механическое повреждение) и с его дальнейшим распадом на крупные кластеры вещества. Было также показано, что посредством изменения параметров лазерного облучения можно подобрать такие условия для динамического изменения параметров электронной и фононной подсистем в приповерхностном слое, что более крупная фракция в итоговом распределении НЧ по размерам не наблюдается, а более мелкая увеличивается по объему с ростом энерговклада. - Были предложены методы лазерно-абляционного синтеза целой серии перспективных для биомедицинских применений наноматериалов, включая наночастицы TiN, наночастиц Bi и нанолистов (BiO)^2CO^3 и (BiO)^4CO^3(OH)^2, а также нанокомпозитов и наносплавов. В частности, была разработана методология получения магнето-плазмонных (на основе железа и золота), имеющих геометрию типа «ядро-оболочка», способных комбинировать магнитные и плазмонные свойства. Кроме того, были впервые синтезированы безлигандные наночастицы сплава PdAu с переменным составом его компонентов и показана их эффективность в качестве электродов в задачах окисления глюкозы для применений в биоэнергетических преобразователях. - Получены нанокристаллические пленки Si и Ge за счет импульсной лазерной абляции из твердых мишеней в инертной атмосфере низкого давления газов в смеси (He + N^2). Установлено, что нанокристаллические слои Si и Ge обладают интенсивной ФЛ в видимой – инфракрасной области, причем генерация той или иной полосы ФЛ зависит от соотношения давлений газа. Продемонстрирована возможность размельчения кристаллов ультразвуком и диспергирование в воде с сохранением люминесцентных свойств. - Были продемонстрированы новые геометрии поджигания оптического разряда (пробоя) воздуха атмосферного давления (лазерная искра) для инициации высокотемпературной лазерной плазмы и ее дальнейшего использования в качестве источника для наноструктурирования поверхностей полупроводниковых и металлических мишеней. Кроме того, продемонстрирована возможность последующего размельчения таким образом полученной напыленной наноструктурированной пленки и диспергирования нанокристаллов кремния в водных растворах. - Были исследованы структурные, оптические, фотоакустические, фототермические и магнитные свойства полученых лазерно-синтезированных наноформуляций. - Были отработаны методики для получения эффективных адресных молекул на основе ZHER2:342 аффибоди и Трастузумаб, распознающее HER2/neu онкомаркер, а также продемонстрировано их использование с наноформуляциями, нагруженные флуоресцентными агентами (нильский синий, нильский красный) и терапевтическими лекарствами (доксорубицин, фталоцианин). Была успешно продемонстрирована доставка наночастиц, связанных с Трастузумабом. Было показано, что инъекция 2 мг таких наночастиц в мышей линии BALB/c nude, позволяет визуализировать не только первичный опухолевый очаг, но и отдаленные метастазы. - Лазерно-синтезированные наночастицы TiN были успешно функционализированы полиэтиленгликолем, что приводило к значительному снижению адсорбции белков на поверхность наноагентов. Было изучена фармакокинетика модифицированных наночастиц в организме мыши и показано, что ПЭГилирование увеличивает в 7 раз нахождение частиц в крови и в 2.2 раза накопление в опухоли аденокарциномы. - Было проведено связывание Ga-68 с различными кремниевыми наночастицами путем сорбции. Отмечалось связывание выше 90%, которое сохранялось на этом уровне как минимум в течение 5 часов. - Проведенные ЯМР-релаксационные исследования и МРТ тесты на фантомах наночастиц кремния с примесью железа продемонстрировали значительные возможности для их использования в качестве потенциальных контрастных агентов. В проведенных экспериментах наблюдалось улучшение контраста для Т2-взвешенных изображений ввиду значительного укорочения темпа поперечной релаксации протонной намагниченности - Продемонстрирована возможность использования наночастиц кремния, полученных лазерной абляцией твердотельных мишеней в воде, в качестве сенсибилизаторов фотогипертермии на физических и биологических моделях in vitro. Установлено, что квазинепрерывный импульсно-периодический режим фотовозбуждения наночастиц более эффективен для достижения условий заданной пространственной и временной локализации области гипертермии. Найденные режимы облучения могут быть использованы для разработки метода локальной фотогипертермии опухолевых тканей с введенными кремниевыми наночастицами.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Проект нацелен на разработку научных основ лазерной технологии получения сверхчистых биосовместимых наноформуляций (НФ) на основе широкого круга перспективных материалов методами абляции твердотельных мишеней и коллоидных растворов мощными лазерными импульсами с последующей функционализацией биополимерами и адресными молекулами для минимизации иммунного отклика и векторной доставки в пораженную область. Еще одной целью проекта является апробация полученных НФ в медицинской диагностике и терапии. В качестве пилотного исследования в проекте анализируются возможности использования синтезированных наноматериалов в смежных биомедицинских приложениях, таких как оптическая биосенсорика, биовизуализация в клетках и тканях. В соответствии с ранее заявленным планом, в течение 2021 годы были проведены следующие работы: - Была продолжена работа по разработке теоретических моделей для понимания формирования наночастиц (НЧ) разных материалов с заданными размерами при лазерной абляции в жидкости. Для этого была предложена модель, совмещающая в себе одновременную возможность рассмотрения лазерно-индуцированных процессов в веществе на атомарном уровне с помощью Молекулярной Динамики (МД) с одной стороны, с учетом влияния свободных носителей (электронов) на эволюцию мишени, облученной лазерным импульсом, с другой стороны. Используя данную модель, впервые исследовалось влияние пористости приповерхностного слоя, энергии лазерных импульсов и других параметров на свойства получаемых НЧ. Подобное детальное исследование позволило изучить процессы, индуцированные в облученной мишени, и научиться управлять ими для получения НЧ с заданными свойствами. – Используя установку на основе фемтосекундного (фс) лазера ТЕТА-10 Компалс (1030 нм, 270 фс, до 200 кГц, Авеста, Россия), была продолжена адаптация и оптимизация методов лазерной абляции и фрагментации в жидкости для синтеза нескольких классов наноматериалов, включая наночастицы полупроводников, металлов и полуметаллов, магнитных материалов, а также для получения сложно-композитных НЧ типа ядро-сателлиты (Si-Au, Fe^3O^4-Au) и других. В частности, были проведены детальные исследования зависимости размерных свойств золотых НЧ, получаемых лазерной абляцией в воде, от степени пространственного перекрытия последовательных лазерных импульсов, что призвано лучше понять механизмы, приводящие к формированию наблюдаемых размерных распределений НЧ. Была также продолжена разработка методов создания композитных наноструктур, обладающих перспективной геометрией типа ядро-сателлиты, как за счет химической модифицикации лазерно-синтезированных НЧ биосовместимым линкером 3-APTMS, так и за счет изменения геометрии лазерной абляции (без химической модификации). - Используя конфигурацию импульсного лазерного осаждения (ИЛО), предполагающую абляцию излучением KrF эксимерного лазера (248 нм, 30 нс) твердой мишени в атмосфере буферных газов (He или смесь He+N^2) с рабочим давлением в диапазоне 0,5-5 Торр, была продолжена разработка методов создания наноструктурированных пленок Si и Ge c их последующим размельчением и диспергированием в водных растворах. Основное внимание было уделено нахождению режимов для напыления кристаллов, обладающих фотолюминесценцией (ФЛ) в красной и ближней ИК области. Кроме того, проводилась оптимизация методов лазерно-искровой обработки для создания наноструктур на поверхности подложки из Si или Ge. Для этого пластины Si и Ge облучались мощными импульсами СО^2 лазера при нормальных условиях. - Структурные свойства полученных наноматериалов были исследованы различными методами, включая сканирующую и просвечивающую электронную микроскопию, рентгеновскую дифрактометрию, динамическое светорассеяние, атомно-абсорбционную спектроскопию, ядерную магнитно резонансную релаксометрию, спектроскопию комбинационного рассеяния и инфракрасного поглощения. Оптические свойства лазерно-аблированных НЧ тестировались методами оптического поглощения, ФЛ, нелинейно-фотоакустического отклика, комбинированного использования оптического пинцета и микроскопии. Магнитные свойства наночастиц измеряли с помощью сверхпроводящего устройства квантовой интерференции (SQUID магнитометра). - Исследовались возможности получения и свойства диэлектрических и плазмонных резонансов лазерно-синтезированных НЧ. Анализировались возможности детектирования динамического отклика от таких резонансов. Изучались возможности включения плазмонных резонаторов в матрицы из полимерных нановолокон. - Было продолжено исследование методов модификации лазерно-синтезированных НЧ для задач адресной доставки к раковым клеткам со сверхэкспрессией онкомаркеров - HER1, HER2, EpCAM. Была исследована возможность модификации поверхности лазерно-аблированных НЧ TiN металлорганическими каркасными структурами. Были проведены эксперименты по связыванию НФ на основе металлорганических каркасов с радиоактивными изотопами. - Были проведены работы по фотоакустической визуализации с использованием коллоидных растворов НЧ TiN в качестве экзогенного контрастного агента. Кроме того, изучалась возможность использования наночастиц кремния, полученных лазерной абляцией твердотельных мишеней в воде, в качестве усилителей фотогипертермии при непрерывном и импульсном лазерном возбуждении. - Была проведена серия биологических тестов in vitro и in vivo с использованием лазерно-синтезированных наноматериалов. В частности, используя модель лабораторных мышей, были проведены тесты с НФ функционализированных НЧ золота в качестве контрастных агентов для рентгеновской диагностики и терапии, а композитные НЧ Fe-Au, покрытые карбоксиметилдекстраном, были использованы для магнитно-резонансной томографии. В течение 2021 года в рамках выполнения проекта были получены следующие основные результаты: - Была разработана новая МД модель, описывающая условия и механизмы формирования НЧ при абляции из твердой мишени (Au, Cu, Ni, и Al). С помощью этой модели было проведено исследование влияния пористости приповерхностного слоя обрабатываемого материала на размерные характеристики получаемых НЧ. Исследования показали, что размер формируемых НЧ критически зависит от канала диссипации лазерной энергии, поглощенной мишенью. Было выделено два основных канала, а также показаны способы минимизации или же существенного усиления этих каналов, что позволяет контролировать размер получаемых НЧ. Кроме того, показана критически важная роль пористости мишени при многоимпульсном режиме абляции, влияющая на вклад различных каналов диссипации. Следует отметить, что данные модерирования в жидкостях хорошо согласуются с результатами проведенных экспериментов. - Оптимизированы методики синтеза на основе импульсной лазерной абляции в жидкости серии наноматериалов, включая НЧ полупроводников (Si, Ge), плазмонных металлов и полуметаллов (Au, Ag, TiN, Bi), магнитных материалов (Fe^3O^4). В частности, были найдены условия для получения узкого мономодального распределения сверхмалых золотых НЧ за счет оптимизации геометрии сканирования мишени лазерным пучком. Кроме того, разработаны и оптимизированы методики синтеза перспективных наноматериалов для биомедицинских применений, включая наночастицы висмута и дихалькогенидов переходных металлов. - Cинтезированы и охарактеризованы новые композитные НЧ Fe^3O^4@Au типа ядро-сателлиты, используя как комбинацию методов лазерной абляции и химической модификации, так и чисто лазерно–абляционные методы в определенной геометрии (без химической модификации). Такие композитные НЧ не только обладают улучшенными плазмонными свойствами по сравнению со сферическими НЧ золота, а именно генерацией плазмонного пика в области прозрачности биоткани (630-950 нм), но и демонстрируют отличные магнитные характеристики. Используя методы лазерной абляции и фрагментации, были также синтезированы композитные НЧ Si-Fe с регулируемой пропорцией элементов в составе. - Разработан метод получения нанокристаллов Ge и Si, основанный на импульсной лазерной абляции кристаллических мишеней в инертной атмосфере низкого давления (He + N^2) с последующим ультразвуковым диспергированием в жидкости. В частности, путем подбора пропорции газов и их давления в смеси удалось найти условия для получения нанокристаллов Ge, обладающих значительной ФЛ в ближней ИК области, которая была объяснена квантовым размерным эффектом. После размельчения ультразвуком, такие нанокристаллы могут являться перспективными маркерами для биовизуализации. Был оптимизирован метод получения наноструктурированных слоев Si и Ge при помощи лазерно-искровой обработки монокристаллических пластин импульсами CO^2 лазера (10,6 мкм) в воздухе. Установлено, что такие слои обладают интенсивной ФЛ с максимумом в желто-зеленой спектральной области (550-570 нм). - Были исследованы структурные, оптические, фотоакустические (линейные и нелинейные), фототермические, магнитные и магниторезонансные свойства полученных лазерно-синтезированных НФ. На основе полученных данных выявлены новые закономерности влияния условий лазерной абляции на распределения НЧ по размерам. - Была разработана и апробирована серия новых модальностей биовизуализации и терапии с использованием лазерно-синтезированных наноматериалов. В частности, было показано что композитные НЧ Fe^3O^4@Au типа ядро-сателлиты и НЧ Si с парамагнитными примесями Fe могут быть использованы как негативные МРТ контрасты для визуализации различных органов. С другой стороны, лазерно-синтезированные НЧ TiN могут служить эффективными контрастными агентами в нелинейной фотоакустической биовизуализации, а НЧ TiN и Si - в фототерапии. Также впервые продемонстрирована возможность создания гибридных полимерных нановолокон, декорированных лазерно-синтезированными НЧ TiN и Au, которые могут служить фототермически-активными матрицами для иммобилизации клеток для задач регенеративной медицины. - Была разработана серия протоколов химической модификации лазерно-синтезированных наноматериалов. В частности, были разработаны протоколы функционализации плазмонных НЧ полиэтилен гликолем для достижения «стелс»-эффекта, а также протоколы связывания НЧ с адресными скафолдными полипептидными молекулами (аффибоди) для селективного уничтожения раковых клеток. Была разработана методика осаждения металлорганических комплексов на основе кластеров Cr^3+ на поверхность плазмонных НЧ TiN. Наконец, была продемонстрирована возможность конъюгирования НФ на основе металлорганических каркасов с радиоактивным изотопом ^188Re. - Впервые были проведены тесты по использованию НФ на основе Au в качестве контрастных агентов и сенсибилизаторов рентгеновской терапии. Было обнаружено пассивное накопление наночастиц в опухоли. Кроме того, регистрировался значительный терапевтический эффект. Было установлено, что введение НФ золота за 1 час до облучения приводит к задержке роста опухоли на 9 суток по сравнению с контрольной группой, облученной только рентгеновским излучением в той же дозе. - На основе совокупности полученных данных выбраны наиболее перспективные однокомпонентные и композитные НФ с точки зрения диагностических и терапевтических применений, очерчены дальнейшие перспективы по разработке фармпрепаратов на их основе.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проект нацелен на разработку научных основ лазерной технологии получения сверхчистых биосовместимых наноформуляций (НФ) методами абляции твердотельных мишеней и коллоидных растворов лазерными импульсами с последующей функционализацией биополимерами для минимизации иммунного отклика и адресными молекулами для векторной доставки в пораженную область, а также апробацией полученных НФ в медицинской диагностике и терапии. В течение 2022 года проведены следующие работы: - Была продолжена разработка гибридной модели описания процесса формирования наночастиц (НЧ) при лазерной абляции, объединяющей преимущества Молекулярной Динамики (МД) и Двух Температурной Модели (ДТМ). Изучались возможности модификации модели для моделирования процессов абляции диэлектриков и полупроводников (например, НЧ Si и SiO2), что требует учета свободных носителей в качестве динамически изменяющейся величины в следствии многофотонных процессов, ударной ионизации, рекомбинации электрон-дырочных пар и их диффузии. – Была продолжена оптимизация методов фс лазерной абляции в жидкости для улучшения производительности и контроля размера НЧ. В частности, были оптимизированы геометрии последовательного лазерно-абляционного синтеза и ко-фрагментации разных НЧ для синтеза наносплавов и структур типа ядро-оболочка и ядро-спутники. Была продолжена адаптация методов лазерной абляции в жидкости для синтеза новых классов наноматериалов и нанокомпозитов. - Продолжена разработка методов лазерного синтеза в газовой среде, включая геометрии импульсного лазерного осаждения и лазерно-искровой обработки. В частности, лазерно-искровая обработка применялась для нанотруктурирования новых материалов (TiO2), с последующей оценкой их свойств. Кроме того, разрабатывались принципиально новые гибридные подходы к лазерно-абляционному синтезу коллоидных НЧ, основанные на поджигании лазерной искры в газах атмосферного давления на поверхности мишени, с последующим переносом НЧ с потоком прокачиваемого газа в жидкую среду. - Структурные свойства полученных НЧ были исследованы различными методами, включая электронную микроскопию, рентгеновскую дифракцию, динамическое рассеяние, атомно-абсорбционную спектроскопию, Комбинационное рассеяние, ИК-Фурье спектрометрию, и др. Оптические свойства НЧ тестировались методами оптического поглощения, фотолюминесценции, нелинейно-фотоакустической визуализации. Состояние химических связей в свежеприготовленных и функционализированных полимерами НЧ измерялось взаимодополняющими методами: измерением спектров комбинационного рассеяния света и спектров ИК поглощения. - Проведены работы по лазерно-абляционному синтезу НЧ Si, обладающих Ми резонансами, с их покрытием более мелкими НЧ Au при помощи химических методов, и последующей оценкой полученных НФ в качестве агентов в фототерапии. - Проведено исследование влияния условий лазерно-абляционного синтеза на состав, структурные свойства и потенциал применения в фототерапии и МРТ НЧ Si-Fe. - Впервые проведены исследования процессов биотрансформации НЧ Ge, полученных методом лазерной абляции и покрытых PEG, в модельных условиях in vitro и в живом организме, а также в качестве агентов для фототермической терапии опухолей. - Были продолжены работы по химической модификации НЧ, полученных лазерной абляцией, с целью защиты их структуры от окружающей среды, а также адресной доставки в область опухоли с помощью ранее разработанных адресных конструкций белков. Особое внимание было уделено НЧ тяжелых металлов (Au, Bi), которые представляют значительный интерес для фототерапии, радиотерапии и т. д. Проведено исследование торможения роста опухоли при ее облучении рентгеновским излучением после введения НЧ. - С помощью микро-КТ исследовалось биораспределения НФ на основе Au и Bi, полученных методом лазерной абляции в жидкости и покрытых Si-PEG-COOH. НЧ на основе висмута (BiOCl) исследовались в качестве агентов перорального контраста. - Были проведены работы по конъюгации перспективных комплексов, на основе лазерно-синтезированных НЧ Au и металл-органических фреймворков, с радионуклидом 188Re. Проведено исследование их фармакокинетики in vivo. 2. В течение 2022 года в рамках выполнения проекта РНФ были получены следующие основные результаты: - Возможности разработанной на предыдущих этапах выполнения проекта гибридной модели МД-ДТМ были расширены на применение к диэлектрикам (SiO2) и полупроводникам (Si). Впервые получено поле эволюции температуры решетки, свободных носителей, а также давления и концентрации свободных носителей облученной мишени Si для энерговкладов в околоабляционном режиме, что позволяет оптимизировать условия лазерного синтеза наноматериалов. - Оптимизированы методики синтеза на основе фс лазерной абляции в жидкости серии наноматериалов, включая НЧ полупроводников (Si, Ge, MoS2, WS2), плазмонных металлов и полуметаллов (TiN, Bi, B). Была показана универсальность уменьшения среднего размера и ширины размерного распределения при увеличении расстояния от фокусирующего объектива до поверхности мишени, а также предложена методика увеличения производительности синтеза за счет использования новой проточной абляционной камеры малого объёма. - Разработана методика лазерного синтеза бор содержащих НЧ (B, Fe2B, и др.). Показано, что при абляции мишени B в воде синтезируются НЧ элементного B, а также борная кислота в качестве суб-продукта. При этом борная кислота может быть удалена из суспензии центрифугированием, а НЧ затем могут быть стабилизированы оболочкой из PEG. Установлено, что НЧ B обладают низкой цитотоксичностью. Оптимизированы условия синтеза НЧ MoS2 и WS2, представляющих большой интерес для фототерапии, а также исследованы их структурные и оптические свойства. - Используя методики лазерной абляции в жидкости, показана возможность синтеза новых нанокомпозитов, включая Si-Fe, обладающих одновременно фототермическими и магнитными свойствами. Продемонстрирована возможность синтеза НЧ Si, обладающих Ми резонансами, с их покрытием более мелкими НЧ Au, обладающими плазмонными резонансами. Показано, подобные Si-Au нанокомпозиты могут обладать значительно усиленным поглощением в ближней ИК области, что делает их перспективными для фототерапии. - Используя методы лазерно-искровой обработки, получены нанокристаллы TiO2, обладающие люминесценцией в области биологической прозрачности. Предложен принципиально новый метод лазерно-абляционного синтеза полупроводниковых наноматериалов, основанный на поджигании лазерной искры в газах атмосферного давления на поверхности мишени, с последующим переносом НЧ с потоком прокачиваемого газа в жидкую среду. - Используя лазерно-абляционные методы, получены НЧ Ge, способные деградировать в живом организме на временных масштабах порядка недели или быстрее после выполнения своей функции, а также служить сенсибилизаторами для фототермической терапии, индуцируемой ИК излучением. - Исследованы структурные, оптические, фотоакустические, фототермические, рентгеноконтрастные и магниторезонансные свойства синтезированных НЧ. На основе полученных данных оптимизированы параметры синтеза. - Впервые продемонстрировано использование лазерно-синтезированных НЧ Si-Fe для применения в фотогипертермии и МРТ. - Впервые продемонстрирована адресная доставка НФ на основе лазерно-синтезированных НЧ Au в опухоль с помощью адресных конструкций белков, распознающих онкорецепторы на поверхности клеток. Данные о времени циркуляции и органах накопления получены методами КТ. Продемонстрирована возможность использования НЧ BiOCl в качестве агента для перорального контраста в КТ. - Комплексы на основе лазерно-синтезированных НЧ Au и МОФ MIL-101 были впервые конъюгированы с радиоактивным изотопом 188Re. Получены первые данные по фармакокинетике таких конъюгатов in vivo. - На основе совокупности полученных данных выбраны наиболее перспективных НФ с точки зрения тераностических применений, очерчены дальнейшие перспективы по разработке фармпрепаратов на их основе.