Что такое углеродные наноточки и почему их сложно использовать в медицине

Углеродные наноточки — это сравнительно новый класс углеродсодержащих наноматериалов. Особенность углеродных наноточек в том, что в отличие от других форм углерода они способны флуоресцировать, то есть светиться при поглощении света с определенной длиной волны. Помимо этого, они биосовместимы и их легко синтезировать — для этого подойдут даже листья шпината или фруктовый сок.

«Наиболее многообещающие направления исследований лежат на стыке разных наук, например, биологии и физики или химии и физики. Углеродные наноточки — прекрасный междисциплинарный объект, предполагающий глубокое фундаментальное понимание и имеющий понятный прикладной потенциал применения. Например, они позволят относительно недорого и безопасно диагностировать и визуализировать процессы внутри живых тканей», — объясняет соавтор статьи, старший научный сотрудник Нового физтеха Михаил Рыбин.

Основная проблема существующих на сегодняшний день красителей или меток, которые можно использовать для визуализации, например, раковой опухоли внутри организма, в том, что они либо поглощают в ультрафиолетовом диапазоне, либо испускают в видимом спектре электромагнитных волн. А ткани человека прозрачны лишь для волн длиной 800–1000 нанометров, то есть в инфракрасном диапазоне.

Как это могут решить новые углеродные точки

Команде ученых Нового физтеха ИТМО, Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН и Северо-Осетинского государственного университета имени К. Л. Хетагурова (СОГУ) удалось синтезировать углеродные наноточки, которые поглощают и испускают в инфракрасном диапазоне. Благодаря этому их видно в организме человека, а значит их можно использовать для визуализации тканей, в том числе опухолей.

«Как часто бывает, эти углеродные точки синтезировали случайно. Изначально мы занимались проектом, в котором создавали полимерные трехмерные объемные структуры и заполняли их перовскитом. Мы хотели добиться лазерной генерации структур и использовали для этого большие мощности накачки. Вышло так, что исходная структура модифицировалась под действием лазера и при этом начала светиться в неожиданном для нас спектральном диапазоне. Мы предположили, что в перовските образовались дефекты, но оказалось, что схожие люминесцентные свойства наблюдаются в материале, даже когда там нет перовскита», — рассказывает соавтор статьи, научный сотрудник Нового физтеха Иван Шишкин.

Проведя структурный анализ, ученые выяснили, что при облучении лазером в используемом ими полимере сформировались углеродные наноточки. При повторном эксперименте получить точки удалось не только в объемной трехмерной структуре полимера, но и в пленках из того же материала.

Прочитайте также:

Исследователи ИТМО создали новый гибридный материал для более эффективной борьбы с заражениями после операций

Ученые предложили новый способ синтеза углеродных наноточек, перспективны для биомедицины

Ученые ИТМО разработали наноструктурированный индикатор повышения температуры из углеродных наноточек на основе наноцеллюлозы

Можно ли их использовать на практике

Исследователи также показали, что синтезировать углеродные наноточки с широкими спектральными свойствами можно и из других молекул, схожих с той, которую изначально использовали ученые, — с 4,4’-бис(диэтиламино)бензофеноном. Так, на него очень похож кетон Михлера: те же два бензольных кольца и кетонная группа. Отличаются только радикалы при атомах азота: у одной молекулы это этилы, а у другой — метилы. Однако это не сильно повлияло на спектральные свойства формирующихся углеродных наноточек.

Таким образом, важны и сам метод, и используемое вещество. Однако варьировать источник углерода с определенными допущениями можно. Это повышает шанс практического применения углеродных наноточек, полученных учеными.

«Используемый нами метод синтеза углеродных наноточек относительно сложный. Но возможность замены материалов и условий лазерного облучения (например, длины волны или типа используемого лазера), как мы ожидаем, позволит существенно упростить процедуру изготовления наноточек с уникальными свойствами», — уточняет Михаил Рыбин.

Что дальше

Во-первых, ученые планируют изучить характеристики молекул — источников углерода, чтобы сделать подход к синтезу новых углеродных точек более системным. Во-вторых, сейчас точки формируются в полимерной матрице, и это удобно, если нужно записать какую-то метку. Однако для биологических и медицинских исследований углеродные наноточки нужно уметь синтезировать в свободном состоянии и в больших объемах.

Статья: Artem D. Sinelnik, Mikhail V. Rybin, Dmitry S. Gets, Ivan I. Shishkin, etc, Ultra-Broadband Photoluminescent Carbon Dots Synthesized by Laser-Induced Thermal Shock (Laser & Photonics Review, 2022).