Научный коллектив, в составе которого представители Казанского федерального университета, создали новые наноструктуры на основе редкоземельных элементов, которые могут значительно улучшить методы визуализации в медицине. Результаты исследований опубликованы в журнале Colloids and Surfaces A.

По словам одного из авторов исследования, заведующего кафедрой неорганической химии Химического института им. А.М. Бутлерова КФУ Рустэма Амирова, основной целью работы является получение многофункциональных наночастиц «ядро-оболочка», которые обладают ап- и даунконверсионной люминесценцией.

«Наличие ионов гадолиния (на основе которых создано большинство контрастных агентов для магнитно-резонансной томографии) в составе наночастиц придает им магнитные свойства. Иттербий, эрбий и церий обладают хорошими люминесцентными свойствами. В результате получаемые наночастицы сочетают в себе люминесцентные и магнитные свойства и при дальнейшей их доработке могут быть использованы в мультимодальной биовизуализации», – рассказал ученый.

В рамках исследования были созданы новые наночастицы, которые обладают структурой «ядро-оболочка». Ключевым элементом этого подхода стала гидрофилизация, выполненная с комплексным использованием дигидроксибензойной кислоты и полиэтиленимина (PEI), что позволяет наночастицам образовывать стабильные коллоидные растворы в воде и биологических жидкостях.

«Наночастицы на основе фторидов металлов, легированных ионами лантаноидов (редкоземельных металлов), имеют преимущество – способны объединять различные типы люминесценции и магнитные свойства в пределах структуры одной наночастицы посредством получения наночастиц структуры "ядро-оболочка". При получении подобных наночастиц в качестве стабилизатора часто используют олеаты, что придает наночастицам гидрофобные свойства, то есть они не распределяются в воде. Поэтому для применения в биомедицине их поверхность необходимо модифицировать – сделать ее гидрофильной, так чтобы наночастицы были устойчивы в водной среде», – объяснила инженер кафедры неорганической химии Химического института Рамиля Гатауллина.

Как рассказал пресс-службе КФУ старший научный сотрудник НИЛ «Полимерные смарт-материалы и нанокомпозиты» Александр Солодов, наночастицы, содержащие ионы гадолиния Gd3+, эффективно сокращают время релаксации протонов, что приводит к повышению контрастности изображений при использовании их в качестве контрастных веществ в МРТ.

«Редкоземельные элементы интересны своими люминесцентными свойствами, поскольку они охватывают широкий спектральный диапазон от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного. Это открывает возможности применения наноматериалов на их основе в качестве оптических сенсоров и биомаркеров. Кроме того, редкоземельные элементы интересны своими магнитными свойствами – из-за наличия неспаренных электронов, обладающих сильным некомпенсированным угловым моментом, что приводит к эффективной спин-орбитальной связи и значительным парамагнитным свойствам», – отметил А. Солодов.

Особое внимание в исследовании уделено наночастицам с ядро-оболочной структурой на основе фторидов металлов, легированных лантаноидами. Авторы отмечают, что такие наночастицы способны объединять различные типы люминесценции и магнитные характеристики в одном наноматериале.

По словам исследователей, полученные наночастицы демонстрируют скорости релаксации, сопоставимые с коммерческими контрастными веществами, что свидетельствует о высоком потенциале для практического применения.

«Наличие ионов гадолиния в оболочке повышает функциональность, позволяя использовать их в качестве высокоэффективных контрастных агентов в Т1-взвешенной МРТ. Однако пока они неприменимы напрямую в биомедицинских исследованиях и требуют дальнейшей доработки», – добавил Солодов.

Объединение оптических сигналов и МРТ-контраста открывает новые возможности для комбинированных диагностических и терапевтических подходов. Особое значение это имеет для хирургии и флуоресцентного контроля в реальном времени, что позволяет повысить точность операций, снизить риск повреждения здоровых тканей и увеличить вероятность полного удаления патологических очагов. Кроме того, перспективы применения этих наночастиц выходят за рамки медицины.

«Подобные наночастицы "ядро-оболочка" сочетают в себе различные типы люминесцентных и магнитных свойств в составе структуры одной наночастицы, поэтому могут быть использованы в качестве бимодальных защитных чернил для усиления мер по борьбе с подделками, мультимодальных контрастных агентов для оптической флуоресцентной микроскопии и МРТ, также подобные наноструктуры могут служить неинвазивными удаленными датчиками температуры в пределах физиологического диапазона (35–40 градусов)», – подчеркивает Рустэм Амиров.

Таким образом, многофункциональные наночастицы с ядро-оболочечной структурой представляют собой перспективное направление, объединяющее оптические и магнитные методы визуализации и диагностики. Их дальнейшая доработка и изучение безопасности позволят расширить применение в медицине и смежных областях, открывая новые возможности для точной диагностики и эффективного лечения.

Исследование осуществлялось в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет – 2030», которая позволит сконцентрировать ресурсы для обеспечения вклада российских университетов в достижение национальных целей развития Российской Федерации на период до 2030 года, повысить научно-образовательный потенциал университетов и научных организаций, а также обеспечить участие образовательных организаций высшего образования в социально-экономическом развитии субъектов РФ.