Сотрудники Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, Институт физиологически активных веществ РАН, СПбГУ и Института керамики Харбинского политехнического института (КНР) модифицировали поверхность углеродных точек так, чтобы те получили способность связываться с костной тканью.

Учёные разработали one-pot метод модификации углеродных точек органическими лигандами, способными селективно связывать ионы кальция. Выход целевого продукта составил более 85%. Результаты опубликованы в ACS Applied Materials & Interfaces.

Углеродные точки, помимо ценных для биологии и медицины качеств, таких как водорастворимость / легкая диспергируемость и высокая дисперсионная устойчивость в воде и низкая токсичность / высокая биосовместимость, также обладают флюоресценцией, что делает их очень перспективным материалом для применения в качестве биосенсоров. Использованию их в таком качестве препятствуют низкие селективные свойства углеродных точек, поскольку на их поверхности находятся очень простые функциональные группы, реагирующие с самыми разными веществами.

Модифицирование поверхности углеродных точек хелатирующими агентами — органическими лигандами с селективными свойствами, — является новым подходом в разработке сенсоров наноскопического масштаба для различных целей. Российские и китайские учёные разработали метод модификации углеродных точек органическими лигандами, способными селективно связывать ионы кальция, основанный на использовании реакции свободно-радикальной полимеризации в комбинации с гидротермальной карбонизацией. Были синтезированы углеродные точки, модифицированные рядом аминокарбоновых и бисфосфоновых лигандов.

«Модифицирование требует тщательного подбора условий синтеза — времени реакции, температуры, реагентов. Нужно добиться того, чтобы все реакции прошли, чтобы был высокий выход целевого продукта, чтобы функциональные группы не разрушились, чтобы побочных продуктов было как можно меньше. Если думать о масштабировании процесса, то, чем точнее подобраны условия синтеза, чем меньше у него стадий, тем больше выход и тем дешевле обходится продукт. В нашем методе весь синтез происходит в одной реакционной посуде, поэтому он очень технологичен», — объяснил главный научный сотрудник лаборатории новых физико-химических проблем ИФХЭ РАН, доктор химических наук Владимир Евгеньевич Баулин.

Для изучения способности полученных материалов связываться с костной тканью была разработана новая методика, основанная на тушении флуоресценции углеродных точек в модельных растворах, имитирующих микроокружение костной травмы. Было изучено взаимодействие модифицированных точек с костными тканями с нормальной и с низкой плотностью, имитирующими патологии (остеопороз, метастазы). Обнаружено, что наилучшими остеотропными свойствами обладают углеродные точки, модифицированные этиленгликоль-бис(2-аминоэтиловым эфиром)-N,N,N',N'-тетрауксусной кислоты (ЭГТА). В перспективе они могут быть использованы в качестве остеотропных препаратов.

«Основная специализация нашей группы в лаборатории новых физико-химических проблем ИФХЭ РАН под руководством академика Аслана Юсуповича Цивадзе – синтез органических лигандов с селективными свойствами к различным катионам и анионам. В процессе совместной работы с Харбинским политехническим институтом, мы применили наши знания в области органического синтеза и комплексообразования к углеродным точкам. В результате их ценные свойства дополнились селективностью, и был получен материал, который селективно связывается с кальцием. Он может быть использован для диагностики и лечения костных заболеваний, таких как остеопороз или костные метастазы», — продолжил профессор Баулин.

Работа выполнена в рамках приоритетного направления деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований международными научными коллективами» (проект № 21-43-00020) и поддержана Министерством науки и высшего образования Российской Федерации (проект №075-15-2022-1114).

Текст: Ольга Макарова.
Источник: ИФХЭ РАН.