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 проекта 20-72-00081

НазваниеФизический синтез коллоидных плазмонных наночастиц нитрида титана (TiN) методом фемтосекундной лазерной абляции в жидкости и исследование параметров локальной инфракрасной фотогипертермии и фотоакустической визуализации с их использованием для перспективных задач биомедицины

Руководитель Попов Антон Александрович, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" , г Москва

Конкурс №49 - Конкурс 2020 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые слова лазеры, абляция, фемтосекундная абляция, абляция в жидкости, наночастицы, коллоидные растворы, плазмонные наночастицы, фотоакустическая визуализация, оптическая гипертермия, биофотоника, биомедицина, тераностика.

Код ГРНТИ29.33.47

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Проект нацелен на разработку физической технологии получения новых сверхчистых биосовместимых плазмонных наночастиц нитрида титана (TiN) методами фемтосекундной лазерной абляции в жидкости. TiN являются перспективной альтернативой традиционным плазмонным наноматериалам таким как золото и серебро. Среди наиболее ярких преимуществ TiN можно отметить его превосходную механическую прочность, термическую стабильность, хорошие плазмонные свойства, низкую цену и широкую доступность. Такая удачная комбинация физико-химических свойств способствует широкому применению нитрида титана в полупроводниковой промышленности и микроэлектронике, более того, благодаря высокой биосовместимости, этот материал также используется для покрытия имплантов и хирургических инструментов. Еще одним важным применением TiN может стать наномедицина, где, за последнее время, для диагностики и терапии онкологических заболеваний появилось множество новых хорошо проработанных методов, основанных на использовании наноматериалов. По сравнению с традиционными методами терапии онкологических заболеваний (хирургия и химиотерапия), новые подходы наномедицины предлагают высокую направленность терапевтического воздействия на опухоль, минимальную инвазивность и высокую эффективность. Фототермическая терапия (ФТТ) является одним из наиболее перспективных методов наномедицины, направленных на борьбу с онкологическими заболеваниями. Этот метод основан на селективном нагреве внешним световым воздействием наночастиц, локализованных в раковой опухоли. Такие "нанонагреватели" убивают близлежащие раковые клетки и могут стимулировать противораковый иммунный отклик организма. Более того, ФТТ естественным образом дополняется методом фотоакустической визуализации (ФАВ), что позволяет одновременно визуализировать опухоль и отслеживать терапевтический отклик. Наночастицы TiN выглядят гораздо более перспективными для ФТТ и ФАВ, чем применяемые в настоящее время наноматериалы на основе традиционных плазмонных материалов, таких как золото и серебро (при этом, технология ФТТ с золото-кремниевыми наночастицами в конце 2019 года в США уже вышла на пилотные клинические испытания на людях и показала эффективность в 94% при лечении рака простаты) благодаря ряду факторов: во-первых, плазмонный пик и, соответственно, высокая эффективность нагрева маленьких (<100 нм) наночастиц TiN лежит в инфракрасной области спектра, где находится так называемое окно относительной прозрачности биологических тканей, что позволяет максимально увеличить глубину проникновения для диагностического и терапевтического воздействия. В то же время, плазмонный пик аналогичных сферических наночастиц традиционных плазмонных материалов (золото, серебро) лежит в видимой и ультрафиолетовой областях электромагнитного спектра, в которых биологические ткани имеют крайне низкую прозрачность. Во-вторых, TiN - жаропрочный материал и поэтому он не изменяет своих свойств при нагревании, тогда как мягкие золотые наноструктуры, особенно те, которые имеют сложную форму (например, нано цилиндры) могут изменять свою форму даже при слабом нагревании (до 100 градусов цельсия) и поэтому теряют способность эффективно поглощать свет в инфракрасной области. Наконец, TiN примерно в 1000 раз дешевле золота и доступен в больших количествах, что делает его клинические применения более доступными. Наноматериалы для биомедицины должны обладать низкой токсичностью (в идеале - вообще не вызывать токсического воздействия на организм), которая зависит от многих факторов, таких как размер, форма, поверхностный заряд, поверхностная химия, присутствие стабилизирующих лигандов и остатков прекурсоров, использованных для синтеза. Как показали предварительные работы автора этого проекта, сами наночастицы TiN обладают низкой токсичностью, не превосходящей токсичность классических золотых наночастиц. При этом, традиционные методы получения коллоидных наночастиц TiN основаны на химических методах. Такие методы включают множество сложных этапов и зачастую используют токсичные прекурсоры, которые загрязняют поверхность синтезируемых наночастиц. Альтернативные методы производства наночастиц TiN основаны на прямом азотировании порошков диоксида титана, плазменной обработке и лазерной абляции титана в жидком азоте и позволяют получать сухие порошки TiN, диспергирование которых требует стабилизации методами коллоидной химии. В этом контексте предлагаемый способ ультрабыстрой (фемтосекундной) лазерной абляции в воде или нетоксичных органических растворителях является уникальным и позволяет эффективно получать коллоидные растворы сверхчистых наночастиц и не требует никаких дополнительных химикатов для стабилизации таких растворов. Поэтому ультрачистые лазерно-синтезированные наночастицы TiN являются крайне перспективными кандидатами для ФТТ и ФАВ. Таким образом, актуальность предлагаемого проекта обусловлена широкими возможностями метода фемтосекундной лазерной абляции для контролируемого синтеза уникальных плазмонных наночастиц TiN для терапии и диагностики раковых опухолей в рамках стратегического направления по развитию высокотехнологичного здравоохранения, персонифицированной медицины и увеличению продолжительности жизни человека. Научная новизна проекта обусловлена как использованием новых альтернативных плазмонных наночастиц TiN для ФТТ раковых опухолей, так применением фемтосекундной лазерной абляции для получения коллоидных растворов таких наночастиц. Автором настоящей заявки недавно была впервые показана принципиальная возможность синтеза коллоидных растворов наночастиц TiN методом фемтосекундной лазерной абляции в воде и органических растворителях, а также показана эффективность использования таких наночастиц для сенсибилизации фототермического эффекта на клеточных моделях in vitro. При этом, детального изучения механизмов формирования наночастиц нитридов переходных металлов при лазерной абляции в жидкости и систематического изучения их фототермических свойств в зависимости от параметров синтеза не проводилось. В рамках представленного проекта такие систематические исследования будут проведены. Кроме того, после определения условий синтеза, позволяющих получать наночастицы нитридов переходных металлов с максимальной эффективностью фототермической конверсии в окне прозрачности биологических тканей (650-950 нм), будут проведены теоретические и экспериментальные работы по определению концентраций наночастиц, их пространственного распределения внутри биологических тканей и параметров инфракрасного лазерного излучения, необходимых для осуществления селективной ФТТ в области локализации наночастиц, а также будут проведены работы по фотоакустической визуализации таких наночастиц внутри модельных биологических тканей. Ожидается, что предлагаемый подход позволит значительно продвинуться в разработке новых методов диагностики и терапии онкологических заболеваний.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---