АВТОРСКА СПРАВКА ЗА ПРИНОСНИЯ ХАРАКТЕР НА ТРУДОВЕТЕ на гл. ас. д-р ГЕОРГИ ГЕОРГИЕВ ЙОРДАНОВ Катедра Обща и неорганична химия при Факултета по химия и фармация на СУ Св. Климент Охридски Трудовете, свързани с научно-изследователската работа на Г. Йорданов, са отразени в 44 научни публикации публикувани в пълен текст (от които 24 статии в реферирани и индексирани научни списания в Web of Knowledge и Scopus). Общият импакт фактор на тези трудове е IF(общ) 2011 = 47, а индивидуалният импакт фактор е IF(инд.) 2011 = 17. Към 25.07.2012 г. са забелязани 81 независими цитата, като 2 статии в български списания (на английски език) [А6,А23] са цитирани в чуждестранни научни издания. Научните резултати до момента са представени в общо 60 научни съобщения на национални и международни конференции и семинари, от които 20 устни доклада, изнесени са 3 поканени лекции в чуждестранни университети и научни институти. Следва да се вземе под внимание, че работите [А2,А3,А7-А15] са включени в дисертационния труд за придобиване на образователната и научна степен Доктор, при което резултатите и приносите описани в тези трудове са обобщени в приложения автореферат. В конкурса са включени 33 научни публикации (от които 16 статии в реферирани и индексирани научни списания в Web of Knowledge и Scopus), които са получили общо 32 независими цитата (към дата 25.07.2012 г.) и 44 научни съобщения от конференции и семинари, които не са включени в дисертационния труд за придобиване на образователната и научна степен Доктор. Тези научни трудове са най-общо посветени на разработване на методики за получаване на различни наноструктурирани материали, изследване на техните физикохимични свойства и оценка на потенциалното им приложение в оптоелектрониката, наномедицината и фотокатализата. За по-голяма прегледност справката е структурирана според научните тематики в следните направления: Page 1 of 10
Направление 1. Разработване на процедури за получаване на полупроводникови наночастици и композитни материали на тяхна основа; Направление 2. Получаване и физикохимично охарактеризиране на наностуктурирани фотокатализатори на базата на ZnO и TiO 2. Направление 3. Разработване на процедури за получаване на наночастици с оптимизирани физикохимични свойства за биомедицински приложения; Направление 1. Разработване на процедури за получаване на полупроводникови наночастици и композитни материали на тяхна основа. Полупроводниковите наночастици представляват наноразмерни (1-10 nm в диаметър) сфероидни кристали изградени от полупроводникови материали, при които се проявява ефект на квантовото ограничение на екситона, в следствие от който тези наночастици абсорбират и флуоресцират светлина, чиято дължина на вълната зависи силно от размера на нанокристалите. Голяма част от изследванията по синтезата и физикохимичното охарактеризиране на нанокристали от CdS, CdSe, CdTe и CdSe/CdS в гореща парафинова матрица, проведени от Г. Йорданов в Катедрата по Обща и неорганична химия към Химическия факултет на СУ, са обобщени и включени в дисертационния труд за получаване на образователната и научна степен доктор [Е1]. Поради голямата стабилност и интензитет на флуоресценцията на тези наночастици, което е предпоставка за техни потенциални приложения в оптоелектрониката, както и поради възможностите за други техни приложения (напр. във фотокатализата и наномедицината), изследванията върху тяхното получаване и охарактеризиране са представени в трудове, които не са включени в дисертационния труд, при което изследванията са насочени към наночастици от CdSe [А4-А6;А17-А19,А39; В5-В8,В10], CdTe [А29,А33; В35], Page 2 of 10
CdSe/CdS [А17-А19,А39; В13,В14,В21,В23], ZnS [А16; В12] и ZnO [А20,А35; в28,в51]. От особен интерес са биомедицинските приложения на флуоресцентните наночастици, които са представени в един обзор [А38] и една научно-популярна статия [Б1] и са дискутирани в доклади на научни конференции [В5,В17,В29] и поканени лекции [Г1,Д3]. Изследванията по получаване на полупроводникови нанокристали в Катедрата по Обща и неорганична химия с участието на Г. Йорданов включват използване на органометални съединения като изходни реагенти, като част от резултатите са обобщени в трудовете [А1,А6]. От особена важност се оказва синтеза на органометалното съединение диметилкадмий, което може да бъде използвано като изходен реагент при синтез на наночастици от кадмиев селенид [А6]. Синтезът на наночастици в течен парафин обаче има повече предимства (работа с по-нетоксични реагенти, по-добра възпроизводимост и по-високо качество на получените нанокристали) и подробното изучаване на парафиновия метод и свойствата на получените наночастици е обект на дисертационния труд [Е1]. Изследвания по получаването и приложението на полупроводникови наночастици, които не са включени в дисертационния труд, са представени в трудовете [А4,А5,А16-А19,А29,А33,А35,А39]. При синтеза на наночастици от CdSe в смесена матрица от течен парафин и триоктилфосфиноксид (ТОРО) е установено, че съставът на матрицата повлиява размера и съответно оптичните свойства на наночастиците и може да служи като параметър, чрез който могат да се контролират свойствата на наночастиците и скоростта на тяхното образуване и растеж [А4,В6]. Получаването на наночастици от CdTe е изследвано при два различни метода за синтез в течен парафин [А33] и във водна среда [А29]. Изследванията върху парафиновия синтез на CdTe започват като част от дисертационния труд, като след това с участието на екип от японски учени (които провеждат анализите с електронен микроскоп и енергийнодисперсионен анализ) резултатите биват допълнени и публикувани в научния труд [А33]. При това е установено, че температурата, при която се Page 3 of 10
провежда реакцията, силно повлиява нанокристалния растеж и определя профила на изменение на нанокристалния размер и частичковата концентрация във времето. Температурата повлиява и флуоресцентните свойства на наночастиците. Флуоресцентни нанокристали от CdTe са синтезирани и директно във водна среда [A29], при което повърхността на нанокристалите е модифицирана с тиогликолова киселина. Тиогликоловата киселина прави наночастиците вододиспергируеми. Изследванията за разработване на флуоресцентни биомаркери са насочени към използването на наночастици от тип ядро/обвивка CdSe/CdS, които се характеризират с по-интензивна и стабилна флуоресценция. Тези наночастици са синтезирани, охарактеризирани и е разработена методика за тяхното солюбилизиране във водна дисперсия чрез използване на поли(цистеин метакриламид) [В13,В14] или амфифилен съполимер (Pluronic F68) [А19]. Наночастиците, солюбилизирани с амфифилен съполимер, са използвани за вграждане в биосъвместим полимер (РВСА) и получаване на композитни флуоресцентни наночастици (от д-р М. Симеонова) и изследване на тяхното взаимодействие с биологични клетки чрез флуоресцентен микроскоп (от д-р Р. Александрова), при което резултатите от тези изследвания са публикувани в съвместния научен труд [А19]. Наночастици от ZnS са синтезирани и използвани като добавка за повишаване активността на фотокатализатор от TiO 2 [А16,В12] (вж. Приноси по Направление 2). Флуоресцентни нанокристали от ZnO са получени и изследвани съвместно с докторант Б. Бочев [А35,В51]. При тези изследвания е установена флуоресценция от нанокристалите във видимата област (при облъчване с ултра-виолетова светлина, 365 nm), която вероятно се дължи на излъчвателна рекомбинация на екситона в повърхностни дефекти на нанокристалите. Изследван е ефекта на различни добавки (повърхностно-активни вещества и етаноламин) върху размера, кристалната структура и флуоресцентните свойства на наночастиците. Съвместно с екип от японски учени, нанокристалите са охарактеризирани с Page 4 of 10
трансмисионен електронен микроскоп, при което е установена тяхната сфероидна форма. Нанокомпозитните материали на основата на флуоресцентни наночастици, вградени в полимерни или неорганични (стъклени, керамични) матрици, са от голям интерес за оптиката и оптоелектрониката, най-вече поради по-голямата стабилност на полупроводниковите наночастици и тяхната флуоресценция в сравнение с органичните флуорофори. Разработването на методики за получаване на нанокомпозитни материали на основата на флуоресцентни полупроводникови наночастици започват в сътрудничество с Г. Гичева чрез синтез и вграждане на наночастици от CdSe в полистирен [А5,В5,В7,В10]. При тези изследвания е установено, че при реакцията за получаване на матрицата от мономер, флуоресценцията на нанокристалите намалява интензитета си, но полученият нанокомпозитен материал е оптически прозрачен и може да намери приложение като оптичен филтър, абсорбиращ светлина с дължина на вълната по-малка от тази, съответстваща на енергията на забранената зона на нанокристалите. Следващите изследвания са насочени към синтез и охарактеризиране на нанокристали от типа ядро/обвивка от CdSe/CdS и вграждането им в матрица от полибутилметакрилат [А17,В21]. При тези изследвания е установено намаляване на флуоресценцията на нанокристалите по време на вграждането им в матрицата чрез полимеризация на мономера, но флуоресценцията на нанокристалите може да бъде активирана след облъчване на нанокомпозитния материал с ултравиолетова светлина. Този ефект е използван за създаване на филм от нанокомпозитния материал и използването му за оптичен запис на информация [А17,В21,В23,Д3]. Предполага се, че намаляването на интензитета на флуоресценция на наночастиците по време на вграждането им в матрицата се дължи на възникване на повърхностни дефекти в нанокристалите. При облъчването, флуоресценцията вероятно се активира вследствие на бавно фотохимично разрушаване на дефектния повърхностен слой, за което свидетелства по-малката дължина на вълната Page 5 of 10
на абсорбцията и флуоресценцията, наблюдавани след активирането. Изследванията по създаване на нанокомпозитни флуоресцентни материали продължават с вграждане на наночастици от CdSe/CdS в полистиренови микросфери чрез метода на емулгиране и изпарение на разтворителя, при който се използва предварително синтезиран полимер и се запазва флуоресценцията на вградените в матрицата наночастици [А18,А39,В5,В13]. В научния труд [А39] са описани получаването, охарактеризирането и изследването на динамичните флуоресцентни свойства на нанокомпозитни микросфери от CdSe/CdS/полистирен. Приносите на Г. Йорданов в тази разработка са основно в изследването на нанокомпозитните микросфери с флуоресцентна микроскопия и теоретична обработка на експерименталните данни от динамичните флуоресцентни измервания. Направление 2. Получаване и физикохимично охарактеризиране на наностуктурирани фотокатализатори на базата на ZnO и TiO 2. Научната дейност на Г. Йорданов по получаване и физикохимично охарактеризиране на наностуктурирани фотокатализатори на базата на ZnO и TiO 2 започва със създаване (в сътрудничество със С. Стоянов) на фотокатализатор на базата на TiO 2, примесен с наночастици от ZnS, който се оказва с повишена фотокаталитична активност по отношение на разпадането на моделни органични замърсители във водна и въздушна среда [А16,В12]. Следват изследвания по получаване и физикохимично охарактеризиране на наностуктурирани фотокатализатори на базата на ZnO (в сътрудничество с Н. Кънева), проведени основно в периода 2008-2010 г. [А21,А22,А28,В26,В28]. Катализаторите са получени чрез зол-гелна технология под формата на филми или прахове и са охарактеризирани с различни методи за структурен анализ (сканираща електронна микроскапия, прахова рентгенова дифракция, инфрачервена спектроскопия). Установено е, че температурната обработка е съществен Page 6 of 10
фактор, определящ кристалността на материала и има съществено значение за фотокаталитичната активност по отношение на разграждането на моделен органичен замърсител (малахитово зелено) във водна среда [А21]. Определени са кинетични параметри на скоростта на обезцветяване на водни разтвори на малахитово зелено при различни начални концентрации на багрилото и различна дебелина на покритията от фотокатализатор (върху стъклени подложки) [А28]. Направление 3. Разработване на процедури за получаване на наночастици с оптимизирани физикохимични свойства за биомедицински приложения. През последните години се провеждат особено мащабни изследвания в областта на наномедицината (интердисциплинарна област за приложенията на нанотехнологиите за диагностични, терапевтични и други биомедицински цели), което основно се изразява в разработване на процедури за получаване на колоидни лекарствени носители и оформяне на научна област, известна като фармацевтични нанотехнологии. Обект на фармацевтичните нанотехнологии са наноструктури и наночастици (включващи колоидни частици с размери до 400 nm), които могат да бъдат използвани като носители на лекарствени вещества, предоставяйки възможност за насочено доставяне на лекарственото вещество до мястото на лекарствено действие в организма. Изследванията в тази интердисциплинарна и принципно нова за Катедрата по Обща и неорганична химия област започват през 2009 г. от Г. Йорданов с подкрепата на доц. Ц. Душкин. Интересите са насочени към разработване на методики за получаване на наночастици с оптимизирани физикохимични свойства, които да бъдат подходящи за биомедицински приложения, обобщени в обзорите [A24,A42]. В обект на изследване се превръщат наночастиците от полиалкилцианоакрилати, тъй като тези материали са биосъвместими и биоразградими, с относително ниска токсичност и добри Page 7 of 10
перспективи за приложение в биомедицинските нанотехнологии. В изследователската дейност се включва и студент З. Беджова, с чието активно участие излизат от печат редица научни трудове в пълен текст [А23,А25,А26,А31,А37] и съобщения на научни конференции [В30,В34,В37- В39,В41-В43,В46,В54]. Изследванията започват с разработване на методика за получаване на хибридни нанокомпозитни частици от ZnO-полиетилцианоакрилат (ZnO- PECA) [А20]. Изследванията са мотивирани от известния от литературата факт, че наночастици от ZnO притежават биологична активност и могат да окажат влияние върху имунни и ракови клетки. Получени са хибридни колоидни частици от типа ядро-обвивка с диаметър ~310 nm, които са охарактеризирани с електронна микроскопия, динамично лазерно светоразсейване, инфрачервена спектроскопия и прахова рентгенова дифракция. Изследванията по получаване на флуоресцентно-маркирани колоидни лекарствени носители на базата на полупроводникови нанокристали, вградени в полибутилцианоакрилатни (РВСА) наночастици [А19] мотивират допълнителни изследвания, целящи получаване на колоидни лекарствени носители, маркирани с флуорофори (Родамин 6G) [А23,А37,В30]. Изследвани и сравнени са физикохимичните свойства (разпределение по размери, ζ-потенциал) на маркираните и немаркираните колоидни частици, тъй като тези свойства са от значение за тяхното разпределение в живи организми. Установено е, че флуоресцентномаркираните частици включват и задържат достатачно количество флуорофор, който не променя значително свойствата им и същевременно прави възможно наблюдението на частиците с флуоресцентен микроскоп. Следват изследвания за разработване на методика за получаване на колоидни носители за противоракови лекарства (хлорамбуцил) чрез вграждане на лекарството по време на получаването на наночастиците. Получени са лекарствено-натоварени частици, чиято повърхност е модифицирана с различни биосъвместими колоидни стабилизатори, Page 8 of 10
определени са разпределенията по размери, ζ-потенциалите на частиците, степента на включване на лекарството в наночастиците, стабилността на лекарственото вещество и скоростта на неговото освобождаване от колоидните носители [А25-А27,А31,А34], които са важни параматри за оценката на приложимостта на тези системи като лекарствено-доставящи системи. Методиката е приложена и за получаване на наночастици, в които е включен противораковия агент епирубицин, на базата на която е изработена и защитена една студентска дипломна работа (З. Беджова) под ръководството на Г. Йорданов и резултатите са представени на научни конференции [В43,В46]. Разработени са също така методики за вграждане на антибиотици (ципрофлоксацин, цефалексин) в биосъвместими и биоразградими наночастици [А30,А32,А41]. Разработването на такива наночастици представлва интерес за третирането на вътреклетъчни бактериални инфекции, които обикновено се лекуват трудно и продължително. Вграждането на антибиотици в наночастици цели насочено доставяне на антибиотика до инфектираните клетки (които често представляват инфектирани макрофаги, които поглъщат наночастиците с вграденото в тях лекарство). Предварителни изследвания на получената колоидна формулировка на ципрофлоксацин в течна среда показва противобактериална активност, съизмерима с тази на невграденото лекарство, което показва, че антибиотика не е загубил активността си вследствие на процедурите по вграждането му в наночастиците [А32]. За установяване на реалното терапевтично приложение обаче са необходими допълнителни in vivo изследвания. Установено е също така, че скоростта на отделяне на антибиотика от наночастиците може да се контролира чрез изменение на рн на средата. Изследвана е и стабилността на колоидните дисперсии при съхранение, при което е установено, че стабилността на колоидната система се благоприятства от ниска температура, при която се минимизира разграждането на материала, от който са изградени наночастиците [А30]. При получаването на наночастици с вграден в тях Page 9 of 10
цефалексин е постигнато изключително голямо лекарствено съдържание в частиците, достигащо 21 масови % (потвърдено чрез директно определяне с ЯМР спектроскопия), като резултатите от тези изследвания са публикувани в самостоятелния труд [А41]. През 2010 г. е адаптиран и приложен метода наноутаяване за получаване на наночастици, при който се използва предварително синтезиран полимер [А27,А34]. При този метод не протича химическа реакция и това позволява вграждането в наночастиците на химически реактивни и относително нестабилни лекарствени вещества. Методът е приложен при разработването на процедури за получаване на наночастици, натоварени с противоракови (епирубицин) [А40,В58] и противогъбични (еконазол) агенти [А43,В53]. Биологичните тестове върху ракови клетки, проведени с партньори от Биологическия факултет на СУ, показват повишено проникване на лекарственото вещество в клетките и повишена цитотоксичност на лекарственото вещество, когато е вградено в наночастици в сравнение с невграденото лекарство [А40]. Изследвано е влиянието на метода на получаване върху физикохимичните свойства на наночастиците [А43]. Установено е значително влияние на вида на колоидния стабилизатор върху цитотоксичността на наночастиците върху ракови клетъчни линии [А40,А44,В46-В50]. Изследванията в областта на биомедицинските нанотехнологии под ръководството на Г. Йорданов продължават към настоящия момент в рамките на проект към националния фонд за научни изследвания за разработване на наноразмерни лекарствени форми на противоракови агенти, подкрепен от фармацевтичната индустрия, както и изследвания на взаимодействието между наночастици и протеини [В56, В60], като част от получените резултати са представени пред научната общност [А40,А43,В57,В58,В60]. Г. Йорданов (26.07.2012 г.) Page 10 of 10