Prof. dr hab. inż. Paweł Chmielarz kierownikiem grantu Narodowego Centrum Nauki finansowanego w ramach konkursu PRELUDIUM BIS 5
Projekt prof. dr. hab. inż. Pawła Chmielarza, kierownika Katedry Chemii Fizycznej na Wydziale Chemicznym, pt. „Węglowe kropki kwantowe w syntezie funkcjonalnych materiałów polimerowych z zastosowaniem technik fotoindukowanej polimeryzacji rodnikowej z przeniesieniem atomu” ma na celu wytworzenie obiecujących materiałów, które mogą zostać wykorzystane w obrazowaniu w terapii przeciwnowotworowej. Budżet projektu wynosi 688 080,00 zł.
Węglowe kropki kwantowe (CQDs) reprezentują jedną z najbardziej obiecujących dziedzin nanomateriałów węglowych, która przyciąga uwagę od czasu ich odkrycia w 2004 r. ze względu na ich charakterystyczne cechy i strukturę. Nanocząstki te charakteryzują się rozmiarem poniżej 10 nm i składają się z rdzeni węglowych. Mogą być syntetyzowane zarówno z surowców nieodnawialnych, takich jak węgiel, koks naftowy, jak i z odpadów biomasy, ze względu na znaczną zawartość węgla. Znane ze swojej unikatowej barwy emisji, którą można dopasować do długości fali wzbudzenia (fotoluminescencji) oraz zdolności do fotoindukowanego przenoszenia elektronów, mają szczególne znaczenie w wielu selektywnych reakcjach fotokatalitycznych. Węglowe kropki kwantowe różnią się od konwencjonalnych półprzewodnikowych kropek kwantowych nietoksycznym składem chemicznym, regulowaną emisją fluorescencji, łatwością funkcjonalizacji oraz wyjątkową stabilnością chemiczną i fizyczną. Warto zauważyć, że są to materiały biokompatybilne i wykazują niezwykły potencjał jako wszechstronne nanomateriały odpowiednie do wielu zastosowań, obejmujących wykrywanie chemiczne, bioczujniki, bioobrazowanie, dostarczanie leków, terapię fotodynamiczną, fotokatalizę i elektrokatalizę. Dostosowanie powierzchniowych grup funkcyjnych luminescencyjnych nanomateriałów znacznie zwiększa ich możliwości interakcji z innymi cząsteczkami i materiałami, zwiększając tym samym ich potencjał aplikacyjny. Wynika to z faktu, że te grupy funkcyjne wywierają znaczący wpływ na właściwości nanomateriałów, w tym ładunek, rozmiar i kształt, z których wszystkie mają głęboki wpływ na ich możliwości interakcji.
W związku z tym głównym celem projektu jest synteza funkcjonalnych polimerów z wykorzystaniem polimeryzacji rodnikowej z przeniesieniem atomu (ATRP), stosując CQDs jako fotokatalizatory oraz fotokatalizatory i inicjatory równoczesnie po funkcjonalizacji. Polimeryzacji będą podlegać funckjonalne monomery, w wyniku czego powstaną szczepione łańcuchy polimerowe o zróżnicowanym składzie, obejmujące (ko)polimery liniowe i makrocząsteczki o rozgałęzionych architekturach. Uzyskane materiały zostaną następnie poddane szczegółowym badaniom w celu oceny określonych cech, takich jak cytotoksyczność i profile uwalniania leku (w tym reakcja na zmoany pH i termoreaktywność), w celu oceny potencjalnej przydatności modyfikowanych CQDs w inteligentnych systemach dostarczania leków, które ułatwiają bieżące śledzenie leków w obrębie ciała, a także do bioobrazowania komórek.
Projekt opiera się na czterech głównych zadaniach, rozpoczynając od oceny skuteczności katalitycznej CQDs w fotoindukowanej ATRP. Następnie projekt obejmuje rozszerzenie użyteczności zaproponowanej koncepcji polimeryzacji na szerokie spektrum monomerów, w tym akrylany, metakrylany i akryloamidy. Wskazanemu etapowi optymalizacji będzie towarzyszyć dogłębna analiza mechanizmu leżącego u podstaw zachowania CQD, szczególnie w kontekście koncepcji ATRP bez stosowania katalizatora metalicznego. Kolejny etap obejmuje funkcjonalizację reaktywnych grup na powierzchni CQDs, określenie zmian w ich elementach strukturalnych w wyniku modyfikacji oraz przeprowadzenie dokładnej analizy właściwości fluorescencji węglowych kropek kwantowych. Sfunkcjonalizowane CQDs zostaną następnie zmodyfikowane polimerami z zastosowaniem fotoindukowanej ATRP na podstawie przeprowadzonego wcześniej badania kinetyki. Plan obejmuje więc syntezę polimerów o rozgałęzionej architekturze – łańcuchy polimerowe przyłączone do rdzenia CQDs. Projekt ma na celu opracowanie ekonomicznej strategii wytwarzania nowatorskich i funkcjonalnych materiałów do dostarczania leków. Ponadto ma na celu wytworzenie obiecujących materiałów, które mogą mieć zastosowanie w obrazowaniu w terapii przeciwnowotworowej.
Oczekuje się, że projekt ten pozwoli lepiej zrozumieć mechanizmy leżące u podstaw potencjału fotokatalitycznego CQD w koncpecjach ATRP sterownych światłem, takim jak foto-ATRP i ATRP bez katalizatora metalicznego. Techniki te zostaną wykorzystane do wytworzenia wielu funkcjonalnych materiałów polimerowych, nie tylko do polimerów liniowych, lecz także do udoskonalenia istniejących właściwości lub nadania całkowicie nowych cech powierzchniom węglowych kropek kwantowych.
