Ученые из ИТМО научились создавать биоинтегрируемые управляемые наночастицы

Создание данного наноматериала стало результатом коллаборации сотрудников НОЦ Инфохимии и Нового физтеха. Как рассказывают авторы исследования, Анна Никитина и Валентин Миличко, главной идеей было совместить технологию синтезирования управляемых наноматериалов, давно развиваемую на Новом физтехе, с наработками в области биоинтегрируемых полимерных комплексов.

«С точки зрения химии нам было очень интересно создать новый материал из кремниевых частиц и ансамбля одинаково заряженных макромолекул - полиэлектролитов — нетривиальная задача в полимерной химии. Большую часть этой работы я сделала во время своей стажировки в Национальном университете Сингапура — нам удалось обосновать поведение полимеров в таких комплексах с химической точки зрения. Это уже дало возможность физикам работать над своей частью и добиваться определенных оптических эффектов», — объясняет Анна Никитина, сотрудник НОЦ Инфохимии.

При этом сама методика управления наночастицами уже была отработана — проблемой было адаптировать ее конкретно под медицинские или биологические применения.

«Сам по себе концепт управляемых наноматериалов с точки зрения физики решен давным-давно, — рассказывает Валентин Миличко, старший научный сотрудник Центра нанофотоники и метаматериалов. — Но как только мы решаем потенциально использовать умный материал в организмах, то сталкиваемся с тем фактом, что существующие сейчас материалы достаточно токсичны. В данном исследовании мы как раз решаем задачу создания таких материалов, которые будут полностью биоинтегрируемы, но чьими свойствами мы все также сможем управлять. Это можно было бы использовать для сенсорных систем, например, для анализа внутренних процессов в организме или биологической структуре».

Предложенная учеными разработка представляет собой систему из кремниевого ядра, который реагирует на температурное воздействие, и биополимерной оболочки, в состав которой входит гепарин (полисахарид, активно используемый в регенеративной медицине и таргетной доставке лекарств) и полистирол сульфонат натрия.  Главной проблемой было то, что потенциал использования гепарина в термочувствительных поверхностях не был исследован.

Еще одной особенностью данной разработки стало то, что входящие в состав оболочки вещества обладают разными показателями гидрофобности/гидрофильности — благодаря этому удалось добиться эффекта расширения и сжатия конечной частички в зависимости от воздействующих на нее факторов.

«Мы предполагаем, что изначально макромолекула полимера адсорбируется на частице кремния гидрофильной частью. Затем, при нагревании этой частицы, молекула разворачивается — за счет этого и увеличивается оболочка. Такой эффект происходит как раз из-за гидрофильного/гидрофобного взаимодействия между этими молекулами: когда они поворачиваются друг к другу гидрофобными частями — они отталкиваются, и, следовательно, полимерная часть увеличивается в размерах», — комментирует Анна Никитина.

При термическом воздействии частица не только изменяет свой размер, но и меняет цвет, что потенциально можно использовать для неинвазивного измерения локальной температуры в биологических тканях. Также на их основе можно создавать термо- и светоуправляемые красители — по типу жидкокристаллических модуляторов. Изменение цвета происходит исключительно за счет структурных преобразований.

«Основное преимущество таких систем в том, что с ними достаточно просто работать. Благодаря управляемым частичкам, мы можем собирать информацию изнутри организма без привлечения дополнительных сложных устройств вроде сверхчувствительных спектральных сенсоров для детектирования сдвигов, например, плазмонных резонансов. Простое изменение цвета позволяет легко анализировать, что происходит с частичкой в режиме реальном времени. При этом комплекс еще и многоразовый: частичка может включаться и выключаться несколько раз», — добавляет Валентин Миличко.

Весь процесс разработки занял три года: ученые варьировали размеры и другие пространственные характеристики наночастиц — искали именно те полимеры, которые будут работать в данных ансамблях необходимым образом. Пока что эффективность систем подтверждена только в лабораторных условиях, следующим этапом могли бы стать исследования in vitro. Но ученые подчеркивают, что предложили именно концепт: как он будет развиваться дальше — уже другой вопрос.

Anna A. Nikitina, Valentin A. Milichko, Alexander S. Novikov,Artem O. Larin, Proloy Nandi, Utkur Mirsaidov, Daria V. Andreeva, Mikhail V. Rybin, Yuri S. Kivshar, Ekaterina V. Skorb. All-Dielectric Nanostructures with Thermoresponsible Dynamic Polymer Shell, Wiley-VCH, 2021/10.1002/anie.202101188