В высокорейтинговом журнале Journal of Molecular Liquids (1 квартиль WoS, Scopus и «белого списка», импакт-фактор 10,3) опубликована статья «Multifunctional lyotropic liquid crystal doped by paramagnetic quantum dots for biomedicine: rheological, optical and relaxation properties», подготовленная учёными кафедры физической и коллоидной химии КНИТУ.

Научная работа посвящена созданию нового гибридного материала для биомедицины — лиотропного жидкого кристалла, содержащего парамагнитные квантовые точки Cd₀.₉Mn₀.₁S/ZnS. — полупроводниковые наночастицы, которые одновременно светятся (яркая оранжевая люминесценция в области 570–600 нм) и обеспечивают парамагнитный отклик благодаря ионам марганца (II).

Научный руководитель коллектива, профессор Юрий Галяметдинов рассказал об объекте исследования:

— Лиотропные жидкие кристаллы — это системы, в которых молекулы поверхностно-активных веществ могут самоорганизовываться в упорядоченные структуры за счёт межмолекулярных взаимодействий и «складываться» определённым образом. В статье описываются гибриды лиотропных жидких кристаллов, в которых самоорганизуются бимодальные парамагнитные квантовые точки — именно в этом и заключается основная новизна данного подхода. Мы исследовали системы, которые ранее никто не изучал.

В этом контексте наша работа лежит в той же плоскости, что и исследование, получившее последнюю Нобелевскую премию по химии. В реакции Кенсо Соаи молекулы укладываются по их оптической активности, в нашем случае — по анизотропии их формы.

В числе авторов статьи, помимо профессора Галяметдинова и представителей его научной школы, сотрудников кафедры ФКХ доцентов Алии Галеевой и Дмитрия Сагдеева, — заведующий кафедрой физики КНИТУ доцент Кирилл Холин, а также представитель Института органической и физической химии им. Академика А. Е. Арбузова КазНЦ РАН, ведущий научный сотрудник Айрат Губайдуддин.

— На кафедре физики проводили исследования по электронной микроскопии, в ИОФХ — по рентгеновской дифракции наших образцов, — поделился деталями научного сотрудничества один из соавторов, Дмитрий Сагдеев. — Публикации в высокорейтинговых журналах требуют всестороннего подтверждения свойств материалов, и электронная микроскопия — это must have любого исследования с использованием наночастиц.

Исследователи проанализировали три варианта систем на основе разных поверхностно-активных веществ — неионогенных (C₁₂EO₄ и C₁₂EO₁₀) и цвиттер-ионного (DMAO), — и подробно изучили их структуру, реологию и оптические свойства. Было показано, что тип ПАВ определяет способ упаковки молекул в ЖК-мезофазе: у одних систем она слоистая (ламеллярная), у других — гексагональная, а введение квантовых точек влияет на температуры фазовых переходов и может изменять тип мезофазы. По реологии выделяется система на основе DMAO: она наименее вязкая, но при этом даёт максимальный контраст сразу в двух методах анализа — люминесцентном и магнитно-резонансном.

Именно это качество авторы исследования считают ключевым с точки зрения перспективности использования изученных материалов в медицине.

Дело в том, что системы высвобождения лекарственных средств, инскапсулированных в различные лиотропные жидкие кристалла уже существуют, как и соответствующие механизмы мониторинга релизинга. Однако бимодальные маркеры, которые могут быть одновременно агентами для МРТ и люминесцентного анализа — это очень актуальная тема именно с точки зрения снижения токсического воздействия на организм при использовании разных контрастных веществ для каждого отдельного способа визуализации.

Комплексные соединения марганца и гадолиния, используемые в диагностике и обладающие хорошим МРТ-контрастом, как правило, плохо люминесцируют, и наоборот — хорошо люминесцирующие материалы плохо «улавливаются» на МРТ, что связано с особенностью взаимодействия воды с координационной сферой. «Заключение» ионов марганца в кристалл полупроводника помогает решить эта проблему.

Таким образом, квантовые точки работают как бимодальные маркеры для медицинской визуализации: одно и то же вещество можно «увидеть» и по люминесценции, и по данным МРТ (по изменению времён релаксации протонов). Казанскими исследователями продемонстрирована возможность обеспечения контролируемой функциональности изученных соединений для диагностических и терапевтических целей. Это открывает путь к тераностике — реализации диагностики и терапии в рамках единых технологических платформ, сочетающих управление доставкой лекарства и контроль его высвобождения прямо в болезненном очаге, что особенно важно при лечении онкологических заболеваний.