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 18-79-10198
НазваниеФотополимеризация с использованием апконвертирующих наночастиц, активируемая ближним инфракрасным излучением для подповерхностного и in situ 3D прототипирования
РуководительЖигарьков Вячеслав Сергеевич, Кандидат физико-математических наук
Прежний руководитель Хайдуков Евгений Валерьевич, дата замены: 26.05.2022
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный исследовательский центр "Курчатовский институт", г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2021 - 06.2023 |
Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (30).
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий
Ключевые словаПолимеризация, ближний ИК свет, апконверсия, 3D структуры, наночастицы, микроструктуры, прототипирование.
Код ГРНТИ29.33.47
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Процесс фотополимеризации широко используется в различных областях науки, промышленности и техники: 3D лазерное рисование (прототипирование), микрообработка, голография, микро- и оптоэлектроника, формирование оптических элементов, в медицине для получения агентов для диагностики, терапии, доставки лекарственных препаратов и т.д. Для активации процесса полимеризации необходимо ультрафиолетовое (УФ) излучение, которое вызывает гомолитический разрыв связи в фотоинициаторе, что вызывает полимеризацию или кросс-сшивание макромолекул. Однако использование УФ излучения накладывает ограничения для ряда приложений. Так, например, в биомедицинских приложениях, УФ свет не может проникать глубоко в биоткань и, при превышении пороговой дозы облучения, приводит к повреждению биоматериала. При оптической записи информации УФ свет может сократить срок службы носителя. Кроме того, однофотонная полимеризация ограничивается изготовлением планарных структур из-за экспоненциального увеличения поглощения света в фотокомпозициях (ФК) и требует разработки специальных систем для преодоления этого ограничения.
По сравнению с УФ светом, ближний инфракрасный (ИК) свет лучше подходит для биомедицинских приложений, формирования субструктур, записи и хранения информации и т.д. ИК свет не вызывает фотоповреждения и способен проникать глубже в биоткани и полимерные материалы. Ранее, возможность использования низкоэнергетического ИК-света для инициирования фотополимеризации была реализована путем разработки технологии двухфотонного поглощения квантов ИК света и подходов для двухфотонной фотополимеризации. Это позволило получать 3D структуры по заданной программе непосредственно в объеме ФК с беспрецедентно высоким пространственным разрешением. Однако дорогостоящие инструменты (фемтосекундные лазеры), высокие лазерные интенсивности и растровый характер формирования 3D структур препятствуют широкому распространению этой технологии.
На сегодняшний день, лишь в нескольких работах, в том числе в работах авторов проекта, в частности, подготовленных в процессе выполнения Проекта 2018 года, был продемонстрирован новый эффективный подход, основанный на использовании апконвертирующих материалов для инициирования фотореакций с помощью ИК света. Апконвертирующие наночастицы обладают узкими линиями фотолюминесценции в УФ и видимых спектральных диапазонах при высокой квантовой эффективности и умеренной интенсивности возбуждающего ИК излучения. Апконвертирующие наночастицы способны резонансно передавать энергию фотовозбуждения инициаторам реакции полимеризации. Этот инновационный подход, основанный на объединении возможностей конверсии ближнего ИК света в УФ фотоны апконвертирующими наноматериалами и фотополимеризации светочувствительных соединений, открывает новые пути развития технологии для наноразмерной сборки субструктур, в том числе со сложной микро и макро-архитектурой, как внутри полимерного объема, так и в окрестности отдельной наночастицы. Такая сборка может применяться для создания нескольких уровней иерархии: отдельные наночастицы, дискретные молекулярно-подобные или наноразмерные агломераты, микромасштабные и макромасштабные нанокомпозитные материалы.
Авторы проекта ставят своей целью исследование процесса полимеризации активируемой ближним инфракрасным светом с использованием апконвертирующих наноматериалов. Для этого будут решены следующие задачи:
1. Синтез апконвертирующих наночастиц, обладающих необходимым набором фотофизических и химических свойств;
2. Молекулярный дизайн поверхности апконвертирующих наночастиц, обеспечивающий коллоидную стабильность наночастиц в фотокомпозициях, сродство к мономерам, в том числе макромономерам, для создания наноинициаторов активируемых ИК излучением;
3. Исследование возможности проведения сборки функциональных субструктур в процессе полимеризации, как на уровне отдельных наночастиц, так и на макроуровне внутри объема фотоотверждаемой композиции.
4. Изучение тераностических свойств синтезированных субструктур.
Ожидаемые результаты
В рамках проекта будет исследована и разработана технология активируемой ближним ИК светом полимеризации фотоотверждаемых композиций, содержащих апконвертирующие наночастицы, для приложений быстрого 3D прототипирования и сборки в наномасштабе. Будут получены следующие наиболее значимые научные результаты:
1) Будут синтезированы апконвертирующие наночастицы со структурой ядро/оболочка, обеспечивающие беспрецедентно высокую эффективность преобразования возбуждающего ИК излучения с интенсивностью (до 10 Вт/см2) в УФ линии фотолюминесценции. Уникальные люминесцентные свойства синтезированных наноматериалов позволят нам продемонстрировать процесс полимеризации на нано-, микро- и макро-уровнях.
2) Будет разработан молекулярный дизайн поверхности апконвертирующих наночастиц, обеспечивающий эффективную адсорбцию мономеров и инициаторов за счет высокого сродства к поверхности, для создания универсальных наноинициаторов активируемых светом ближнего ИК диапазона спектра. Наноинициаторы будут адаптированы для различных мономеров (гидрофильные или гидрофобные, масло- или водорастворимые, синтетические или природные и т.д.).
3) Исследование ИК-индуцированной фотополимеризации в окрестности наночастиц с целью получения тераностических субструктур. Ожидается, что создание полимерной оболочки в процессе фотополимеризации по технологии прививочной полимеризации «прививка от» (grafting from) значительно упростит процедуру гидрофилизации и функционализации наночастиц, имеющих после синтеза пассивную гидрофобную поверхность. Разработанный дизайн позволит создать оболочки из стимул-чувствительных полимеров, таких как поли-N-винилкапролактам, поли-N-винилпирролидон, способных реагировать на изменения окружающей среды (температуры, рН). Используя прививочную полимеризации по технологии «прививка на» (grafting to) эндогенного полимера, такого как метакрилированная гиалуровая кислота, будут получены субстуктуры, представляющие из себя наноконструкции, покрытые биосовместимой полимерной шубой и включениями терапевтических препаратов (лекарства, наночастицы, таргетные молекулы). Такие наноконструкции будут обладать потенциалом для диагностики и терапии в условиях in vitro и in vivo.
4) Будут получены наноконструкции за счет удаления с поверхности лиганда-стабилизатора и проведения конкурентной реакции с фотоинициатором и целевым лигандом, способным взаимодействовать с фотополимеризуемыми реагентами. Ожидается, что в результате проведения ИК-индуцированной фотополимеризации будет разработан подход к сборке ориентированных субструктур на основе апконвертирующих наночастиц.
5) Будут получены субструктуры наночастиц в процессе эмульсионной ИК-индуцируемой фотополимеризации. Ожидается, что такие структуры могут обладать широким спектром оптических, химических и биологических свойств благодаря кооперативному эффекту в агломератах наночастиц.
6) Будет продемонстрировано формирование субструктур на основе апконвертирующих наночастиц за счет управляемого перераспределения положения наночастиц в объеме фотоотверждаемой композиции с последующим отверждением всего объема.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Переход к инициирующему излучению в ближнем ИК диапазоне спектра представляет собой новую веху в приложении фотополимеризации. Использование системы апконвертирующих наночастиц и фотоинициатора (ФИ) в процессе ИК-индуцируемой реакции фотополимеризации позволяет преодолеть основной недостаток классического подхода к получению трехмерных структур под действием УФ-излучения, а именно, значительно увеличить глубину проникновения возбуждающего излучения, что, в свою очередь, позволяет формировать структуры непосредственно в глубине фотополимера, исключая необходимость послойного формирования. Кроме того, такой подход устраняет ограничения связанные с недостаточной глубиной фотоотверждения, деструкцией и фотоповреждением мономерных или олигомерных композиций. Однако, широкое распространение этого метода ограниченно ввиду сложности модификации поверхности апконвертирующих наночастиц в процессе адаптации их к фотокомпозициям (ФК) заданного состава, который сам по себе требует тщательного побора для каждого конкретного случая. Кроме того, выбор ФИ в случае биоприложений существенно ограничен, учитывая тот факт, что апконвертирующие наночастицы с наибольшей квантовой эффективностью получаются в результате высокотемпературного разложения трифторацетатов редкоземельных элементов в олеиновой кислоте и, как следствие, имеют гидрофобную поверхность, задача по модификации их поверхности для конкретных фотополимерных приложений представляется весьма непростой. В рамках проекта были намечены две стратегии по адаптации апконвертирующих наночастиц для фотополимеризации ИК излучением. Первая стратегия заключается в предварительной обработке наночастиц лазерным излучением в присутствии стабилизатора, что должно позволить быстро адаптировать поверхность наночастиц для введения в состав ФК. Вторая стратегия заключается в подборе универсального мультифазного состава ФК, позволяющего вводить ФИ различной природы для осуществления процесса фотополимеризации без привлечения дополнительных операций по предварительной функционализации поверхности нанокристаллов. В отчетном году были начаты работы в рамках первой стратегии и в полном объеме завершены работы по разработке мультифазного состава ФК, позволяющего использовать как гидрофильный, так и гидрофобный ФИ. Также, в отчетном году были продемонстрированы структуры полученные в результате кросс-сшивания светом ИК диапазона спектра из метакрилированной гиалуровой кислоты, что имеет большой потенциал для использования в in vivo исследованиях. Дополнительно, в рамках проекта, были получены предварительные результаты по созданию и исследованию металлических подложек с плазмонным резонансом, что необходимо для реализации программы исследования следующего года в части изучения особенностей процесса полимеризации в окрестности одиночных апконвертирующих наночастиц и создания самособирающихся наноконструкций при проведении ИК-индуцируемой фотополимеризации.
Публикации
1. Мердалимова А.А., Рудаковская П.Г., Ерматов Т.И., Смирнов А.С., Косолобов С.С., Скибина Ю.С., Демина П.А., Хлебцов Б., Ященок А.М., Горин Д.А. SERS Platform Based on Hollow-Core Microstructured Optical Fiber: Technology of UV-Mediated Gold Nanoparticle Growth Biosensors, Том 12, Выпуск 1, Номер статьи 19 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/bios12010019
2. Савельев А.Г., Сочилина А.В., Акасов Р.А., Миронов А.В., Капитанникова А.Ю., Бородина Т.Н., Шолина Н.В., Хайдуков К.В. Звягин А.В., Генералова А.Н., Хайдуков Е.В. Facile Cell-Friendly Hollow-Core Fiber Diffusion-Limited Photofabrication Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, V 9, Article 783834 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3389/fbioe.2021.783834
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Настоящий проект «Фотополимеризация с использованием апконвертирующих наночастиц, активируемая ближним инфракрасным излучением для подповерхностного и in situ 3D прототипирования» был посвящен разработке эффективного подхода для инициирования фотореакций с помощью света ближнего ИК диапазона спектра, что было сопряжено с разработкой метода синтеза апконвертирующих наночастиц, поиском путей создания наноиницирующего комплекса, оптимизации состава различных фотокомпозиций, изучения особенностей процесса ИК индуцируемой полимеризации, как в объеме фотокомпозиций, так и в окрестности одиночных наноиницирующих комплексов. На заключительном этапе выполнения проекта были выполнены следующие ключевые работы:
1. Синтезированы апконвертирующие наночастицы со структурой ядро/оболочка NaYF4:Yb3+Tm3+/ NaYF4, обладающие интенсивной фотолюминесценцией на длинах волн 345 и 360 нм, попадающих в полосу поглощения фотоиницаторов: фенил-2,4,6-триметилбензоилфосфинат лития и 2-бензил-2-(диметиламино)-4'-морфолинобутирофенон. Синтезированные наночастицы охарактеризованы с использованием методов сканирующей и просвечивающей электронной микроскопий, рентгеноструктурного анализа, измерениями на интегрирующей сфере и флюориметре с внешним источником возбуждения на длине волны 970-980 нм.
2. Были разработаны фотокомпозиции, состоящие из диакрилата полиэтиленгликоля (ПЭГ-ДА), апконвертирующих наночастиц с гидрофобной поверхностью и двух типов фотоинициаторов (растворимого и нерастворимого в воде). Было показано, что ПЭГ-ДА способствует сближению гидрофильных (биополимеры, ФИ) и гидрофобных (наночастицы, ФИ) компонентов фотокомпозиции с образованием самособирающиегося наноинициирующего комплекса ПЭГ-ДА/АН/ФИ. Разработка данной системы позволила обеспечить сшивание биополимеров: метакрилированной гиалуроновой кислоты и метакрилированного желатина, технология синтеза которых также была разработана в рамках проекта. Трехмерные биополимерные структуры были прототипированы в объеме фотокомпозиции с целью демонстрации одностадийной процедуры приготовления наноинициируеющего комплекса и возможности получения тканеинженерных конструкций с использованием данной технологии.
3. С использованием метода LIFT (Laser-induced forward transfer) исследована возможность упорядоченного нанесения апконвертирующих наночастиц на подложки с плазмонными наночастицами. В процессе работы были оптимизированы режимы импульсного лазерного воздействия и расстояния между донорной и акцепторной подложками. Полученные структуры охарактеризованы с использованием электронной и фотолюминесцентной микроскопий.
4. С целью изучения механизма переноса энергии от апконвертирующих наночастиц на молекулы фотоинициатора входящих в состав фотоинициирующего нанокомплекса была разработана установка для измерения кинетики фотолюминесценции. Было обнаружено, что наноиницирующий комплекс, состоящий из наночастиц с гидрофобной поверхностью и водорастворимого фотоинициатора (фенил-2,4,6-триметилбензоилфосфинат лития, LAP), передает энергию посредством
процесса опосредованного фотонами (излучательный перенос энергии), в отличие от наноинициирующего комплекса гидрофобные наночастицы/нерастворимый в воде ФИ (2- бензил-2-(диметиламино)-4'-морфолинобутирофенон, Irgacure 369) в котором реализуется безызлучательный резонансный перенос энергии. Как оказалось, обнаруженные особенности транспорта энергии в наноинициаторах определяют пространственное разрешение метода фотополимеризации под действием света ближнего ИК диапазона спектра.
5. Были исследованы особенности формирования вокселя при фокусировании излучения ближнего ИК-диапазона спектра в фотокомпозицию содержащую наноинициирующие комплексы как с фотон-опосредованным, так и безызлучательным переносом энергии. Был предложен дизайн наноконструкции с включением терапевтических препаратов и плазмонных наночастиц, которые могут быть получены в процессе эмульсионной полимеризации, актируемой ближним ИК светом для получения мультифункциональных реагентов.
Итоговое представление результатов проекта выполнено на семи всероссийских конференциях с международным участием. В отчетном году (до 15 мая 2023 года) опубликована 1 работа в журнале первого квартиля. По результатам реализации проекта в отчетном периоде поданы еще две работы в журналы Materials Today Advances (Q1) и International Journal of Molecular Sciences (Q1). Работа в Materials Today Advances прошла первый круг рецензирования, получены замечания от рецензентов. Мы ожидаем, что к окончанию отчетного периода (к 30 июня 2023 года), принятые обязательства по публикациям будут перевыполнены.
Публикации
1. Дёмина П.А., Хайдуков К.В., Бабаева Г., Варакса П.О., Атанова А.В., Степанов М.Е., Николаева М.Е., Крылов И.В., Евстратова И.И., Покровский В.С., Жигарьков В.С., Акасов Р.А., Егорова Т.В., Хайдуков Е.В., Генералова А.Н. Upconversion Nanoparticles Intercalated in Large Polymer Micelles for Tumor Imaging and Chemo/Photothermal Therapy International Journal of Molecular Sciences, - (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/ijms241310574
2. Дёмина П.А., Хайдуков К.В., Сочилина А.В., Рочева В.В., Иванов А.В., Акасов Р.А, Quan Lin, Генералова А.Н., Хайдуков Е.В. Role of energy transfer in a nanoinitiator complex for upconversion-driven polymerization Materials Today Advances, - (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.mtadv.2023.100388
3. Генералова А.Н., Демина П.А., Акасов Р.А., Хайдуков Е.В. Photopolymerization in 3D printing of tissue-engineered constructs for regenerative medicine Russian Chemical Reviews, Т. 92 (2) RCR5068 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.57634/RCR5068
4. Хайдуков Е.В., Акасов Р.А., Генералова А.Н. Upconversion nanocrystals for biophotonics and nanomedicine XVIII INTERNATIONAL FEOFILOV SYMPOSIUM ON SPECTROSCOPY OF CRYSTALS DOPED WITH RARE EARTH AND TRANSITION METAL IONS (IFS-2022) Москва, 22-27 августа 2022 г., С. 22-24 (год публикации - 2022)
Возможность практического использования результатов
не указано