Colloid JournalColloid JournalКоллоидный журнал0023-29123034-543XThe Russian Academy of Sciences69745610.7868/S3034543X25050077ArticlesСтатьиResearch ArticleLUMINESCENT NANOPARTICLES OF POLYELECTROLYTE COMPLEX OF CHITOSAN WITH CARRAGEENAN AS PERSPECTIVE MULTIFUNCTIONAL VANCOMYCIN DELIVERY SYSTEMSЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ ПОЛИЭЛЕКТРОЛИТНОГО КОМПЛЕКСА ХИТОЗАНА С КАРРАГИНАНОМ КАК ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДОСТАВКИ ВАНКОМИЦИНАShilovaS. V.ШиловаС. В.s_shilova74@mail.ruMirgaleevG. M.МиргалеевГ. М.email@example.comSagdeevD. O.СагдеевД. О.email@example.comGalyametdinovY. G.ГаляметдиновЮ. Г.email@example.comKazan National Research Technological UniversityКазанский национальный исследовательский технологический университет15092025875VOL 87, NO5 (2025)ТОМ 87, №5 (2025)57559002122025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://jdigitaldiagnostics.com/0023-2912/article/view/697456

Nanoparticles of a polyelectrolyte complex of chitosan and κ-carrageenan containing core–shell quantum dots of CdS/ZnS were obtained and characterized as potential biocompatible luminescent delivery systems for the antibiotic vancomycin with an encapsulation efficiency of 95–97%. Quantum dots were obtained by a colloidal synthesis method and hydrophilized with mercaptopropionic acid. The effect of vancomycin encapsulated in particles of the polyelectrolyte complex on the luminescent properties of CdS/ZnS quantum dots was studied. The capabilities of the synthesized quantum dots as analytical nanosensors for determine the incorporation and release of vancomycin from the developed carriers based on their luminescence quenching were demonstrated. The binding of vancomycin to albumin as a model of blood protein was studied, the composition of the complex ([vancomycin]: [albumin] = 1.0 : 2.0) and its stability constant (βκ = 6.0 ⋅ 104 M−1) were determined. Analysis of kinetic data on the release of vancomycin from polymer carriers under in vitro conditions into albumin and tris-buffer solutions within the framework of the Korsmeyer–Peppas mathematical model showed that the release of the antibiotic is controlled by both diffusion and relaxation of the polymer matrix.

Получены и охарактеризованы наночастицы полиэлектролитного комплекса хитозана с κ-каррагинаном, содержащие квантовые точки «ядро–оболочка» CdS/ZnS, как модели биосовместимых люминесцентных систем доставки антибиотика ванкомицина с эффективностью инкапсулирования 95–97%. Квантовые точки получены коллоидным методом синтеза и гидрофилизированы меркаптопропионовой кислотой. Изучено влияние ванкомицина, инкапсулированного в частицы полиэлектролитного комплекса, на люминесцентные свойства квантовых точек CdS/ZnS. Продемонстрированы возможности синтезированных квантовых точек в качестве модельных наносенсоров для определения включения и высвобождения ванкомицина из разработанных носителей на основе тушения люминесценции квантовых точек. Исследовано связывание ванкомицина с альбумином как моделью белка крови, определен состав комплекса ([ванкомицин] : [альбумин] = 1.0 : 2.0) и константа его устойчивости (βκ= 6.0·10-4 M−1). Анализ кинетических данных высвобождения ванкомицина из полимерных носителей в условиях in vitro в растворы альбумина и трис-буфера в рамках математической модели Корсмейера–Пеппаса, показал, что высвобождение антибиотика контролируется как диффузией, так и релаксацией полимерной матрицы.

chitosancarrageenanpolyelectrolyte complexvancomycinquantum dotsluminescence quenchingdrug delivery systemsreleaseхитозанкаррагинанполиэлектролитный комплексванкомицинквантовые точкитушение люминесценциисистемы доставки лекарственных веществвысвобождениеThis work was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (project no. FZSG-2023-0008).Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ (грант № FZSG-2023-0008). Kalia M. Personalized oncology: recent advances and future challenges // Metabolism. 2013. V. 62. S11–S14. https://doi.org/10.1016/j.metabol.2012.08.016 Jain T., Kumar S., Dutta P.K. Teranostics: A way of modern diagnostics and the role of chitosan // J. Mol. Genet. Med. 2015. V. 9. № 1. P. e1000159. https://doi.org/10.4172/1747-0862.1000159 Muthu M.S., Leong D.T., Mei L., Feng S.S. Nanotheranostics application and further development of nanomedicine strategies for advanced theranostics // Theranostics. 2014. V. 4. № 6. P. 660–677. https://doi.org/10.7150/thno.8698 Galeeva A.I., Selivanova N.M., Galyametdinov Yu.G. Wetting and adhesive properties of biopolymer-based organized condensed phases as drug delivery systems // Liq. Cryst. and their Appl. 2023. V. 23. № 4. P. 38–48. (in Russian). https://doi.org/10.18083/LCAppl.2023.4.38 Wu X., Yang H., Yang W., Chen X., Gao J., Gong X., Wang H., Duan Y., Wei D., Chang J. Nanoparticle-based diagnostic and therapeutic systems for brain tumors // J. Mater. Chem. B. 2019. V. 7. № 31. P. 4734–4750. https://doi.org/10.1039/C9TB00860H Zhao D., Yu S., Sun B., Gao S., Guo S., Zhao K. Biomedical applications of chitosan and its derivative nanoparticles // Polymers. 2018. V. 10. № 4. P. 462–479. https://doi.org/10.3390/polym10040462 Victor R.S., Santos A.M.C., Sousa B.V., Neves G.A., Santana L.N.L., Menezes R.R. A review on Chitosan’s uses as biomaterial: Tissue engineering, drug delivery systems and cancer treatment // Materials. 2020. V. 13. № 21. P. 4995. https://doi.org/10.3390/ma13214995 Yuao Wu, Run Zhang, Huong D. N. Tran, Nyoman D. Kurniawan, Shehzahdi S. Moonshi, Andrew K. Whittake, Hang T. Ta. Chitosan nanococktails containing both ceria and superparamagnetic iron oxide nanoparticles for reactive oxygen species-related theranostics // ACS Appl. Nano Mater. 2021. V. 4. № 4. P. 3604–3618. https://doi.org/10.1021/acsanm.1c00141 Kou S.G., Peters L., Mucalo M. Chitosan: A review of molecular structure, bioactivities and interactions with the human body and micro-organisms // Carbohydr. Polym. 2022. № 282. P. 119132. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2022.119132 Краюхина М.А., Самойлова Н.А., Ямсков И.А. Полиэлектролитные комплексы хитозана: формирование, свойства и применение // Успехи химии. 2008. Т. 77. № 9. С. 854−869. Миргалеев Г.М., Шилова С.В. Связывание флуоресцеина хитозаном и полиэлектролитным комплексом на его основе в водных растворах // Коллоидный журнал. 2024. Т. 86. №3. С. 379−389. https://doi.org/10.31857/S0023291224030074 Quadrado R.F.N., Fajardo A.R. Microparticles based on carboxymethyl starch/chitosan polyelectrolyte complex as vehicles for drug delivery systems // Arab. J. Chem. 2020. V. 13. № 1. P. 2183−2194. https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2018.04.004 Shilova S.V., Mirgaleev G.M., Romanova K.A., Galyametdinov Y.G. Alginate/chitosan hydrogels as perspective transport systems for cefotaxime // Biopolymers. 2023. V. 114. № 10. P. e23555. https://doi.org/10.1002/bip.23555 Mahdavinia G.R., Mosallanezhad A., Soleymani M., Sabzi M. Magneticand pH-responsive κ-carrageenan/chitosan complexes for controlled release of methotrexate anticancer drug // Int. J. Biol. Macromol. 2017. V. 1. P. 209–217. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2017.01.012 Kumar R., Najda A., Duhan J.S., Kumar B., Chawla P., Klepacka J., Malawski S., Kumar Sadh P., Poonia A.K. Assessment of antifungal efficacy and release behavior of fungicide-loaded chitosan-carrageenan nanoparticles against phytopathogenic fungi // Polymers. 2022. V. 14. P. 41. https://doi.org/10.3390/polym14010041 Щипунов Ю.А. Структура полиэлектролитных комплексов на примере гидрогелей хитозана с лямбда-каррагинаном // Высокомолек. соед. Сер. А. 2020. Т. 62. № 1. С. 57–64. https://doi.org/10.31857/S2308112020010101 Olanrewaju A. Aladesuyi, Thabang C. Lebepe, Rodney Maluleke, Oluwatobi S. Oluwafemi. Biological applications of ternary quantum dots: A review // Nanotech. Rev. 2022. V. 11. № 1. P. 2304–2319. https://doi.org/10.1515/ntrev-2022-0136 Bezrukov A.N., Galeeva A.I., Krupin A.S., Galyametdinov Y.G. Molecular orientation behavior of lyotropic liquid crystal–carbon dot hybrids in microfluidic confinement // Int. J. Mol. Sci. 2024. V. 25. №10. P. 5520. https://doi.org/10.3390/ijms25105520 Elugoke S.E., Uwaya G.E., Quadri T.W., Ebenso E.E. Carbon quantum dots: basics, properties, and fundamentals // Carbon Dots: Recent Developments and Future Perspectives. 2024. Chapter 1. P. 3–42. https://doi.org/10.1021/bk-2024-1465.ch001  Zhao J., Wu J. Preparation and characterization of the fluorescent chitosan nanoparticle probe // Chin. J. Anal. Chem. 2006. V. 34. № 11. P. 1555–1559. https://doi.org/10.1016/S1872-2040(07)60015-2 Derfus A.M., Chan W.C., Bhatia S.N. Probing the cytotoxicity of semiconductor quantum dots // Nano Letters. 2004. V. 4. № 1. P. 11–18. https://doi.org/10.1021/nl0347334 Cunha B.A. Vancomycin // Med. Clin. N. Am. 1995. V. 79. № 4. P. 817–831. https://doi.org/10.1016/S0025-7125(16)30041-4 Elyasi S., Khalili H., Dashti-Khavidak S., Mohammadpour A. Vancomycin-induced nephrotoxicity: Mechanism, incidence, risk factors and special populations. A literature review // Eur. J. Clin. Pharmacol. 2012. V. 68. P. 1243–1255. https://doi.org/10.1007/s00228-012-1259-9 Bruniera F.R., Ferreira F.M., Saviolli L.R.M., Bacci M.R., Feder D., Pedreira M., Peterlini M.A.S., Azzalis L., Junqueira V.B.C., Fonseca F.L. The use of vancomycin with its therapeutic and adverse effects: A review // Eur. Rev. Med. Pharm. Sci. 2015. V. 19. P. 694–700. Shilova S.V., Sagdeev D.O., Mirgaleev G.M., Romanova K.A., Galyametdinov Yu.G. Novel nanosensors represented by CdS/ZnS quantum dots doped with manganese (II) ions for detection of vancomycin // Physica Scripta. 2025. V. 100. № 3. P. 035906. https://doi.org/10.1088/1402-4896/adadaa Pfaller M., Krogstad D., Granich G., Murray P. Laboratory evaluation of five assay methods for vancomycin: Bioassay, high-pressure liquid chromatography, fluorescence polarization immunoassay, radioimmunoassay, and fluorescence immunoassay // J. Clin. Microbiol. 1984. V. 20. № 3. P. 311–316. https://doi.org/10.1128/jcm.20.3.311-316.1984 Nascimento P.A.D., Kogawa A.C., Salgado H.R.N. Current status of vancomycin analytical methods // J. AOAC Int. 2020. V. 103. № 3. P. 755–769. https://doi.org/10.1093/jaocint/qsz024 Cheng X., Ma J., Su J. An Overview of analytical methodologies for determination of vancomycin in human plasma // Molecules. 2022. V. 27. № 21. P. 7319. https://doi.org/10.3390/molecules27217319 Крупин С.В., Мягченков В.А., Третьякова А.Я., Вяселева Г.Я., Торсуев Д.М., Булидорова Г.В., Курмаева А.И., Коноплева А.А. Практикум по физикохимии растворов и дисперсий полимеров. Казань: Казан. гос. технол. ун-т. 2003. 154 с. Sagdeev D.O., Shamilov R.R., Galyametdinov Y.G. Quantum dots luminescent compounds with multimodal luminescence for fuel labeling // Physica Scripta. 2023. V. 98. № 10. P. 105101. https://doi.org/10.1088/1402-4896/acf3b3 Галяметдинов Ю.Г., Крупин А.С., Сагдеев Д.О., Карякин М.Е., Шамилов Р.Р., Князев А.А. Люминесцентные композиты на основе жидкокристаллического комплекса европия (III) и квантовых точек CdSe/CdS/ZnS // Жидк. крист. и их практич. использ. 2022. Т. 22. № 1. С. 27–38. https://doi.org/10.18083/LCAppl.2022.1.27 Zhou N., He C.X. An improved method of isomolar series by dual-wavelength spectrophotometry // Microchimica Acta. 1993. V. 111. № 4. P. 183–191. https://doi.org/10.1007/BF01245305 Knowles C., Knowles A. Practical Absorption Spectrometry: Ultraviolet Spectrometry Group. Springer Science &  Business Media, 2013. Tiwari A.K. Yadav H.P., Gupta M.K., Narayan R.J., Pandey P.C. Synthesis of vancomycin functionalized fluorescent gold nanoparticles and selective sensing of mercury (II) // Front. Chem. 2023. V. 11.P. 1238631. https://doi.org/10.3389/fchem.2023.1238631 Liang W., Liu S., Liu Z., Li D., Wang L., Haо C., He Y. Electron transfer and fluorescence ‘‘turn-off’’ based CdTe quantum dots for vancomycin detection at nanogram level in aqueous serum media // New J. Chem. 2015. V. 39. № 6. P. 4774–4782. https://doi.org/10.1039/c4nj01764a Motz R.N., Sun A.C., Lehnherr D., Ruccolo S. High-throughput determination of Stern-Volmer quenching constants for common photocatalysts and quenchers // ACS Org. Inorg. 2023. V. 3. № 5. P. 266−273. https://doi.org/10.1021/acsorginorgau.3c00019 Crank J. The Mathematics of Diffusion. Oxford: Clarendon Press, 1975. Ritger P.L., Peppas N.A. A simple equation for description of solute release. I. Fickian and non-Fickian release from non-swellable devices in the form of slabs, spheres, cylinders or discs // J. Control. Release. 1987. V. 5. № 1. P. 23–36. https://doi.org/10.1016/0168-3659(87)90034-4 Petrova V.A., Orekhov A.S., Chernyakov D.D., Baklagina Yu.G., Romanov D.P., Kononova S.V., Volod’ko A.V., Ermak I.M., Klechkovskaya V.V., Skorik Yu.A. Preparation and analysis of multilayer composites based on polyelectrolyte complexes // Crystallogr. Rep. 2016. V. 61. P. 945–953. https://doi.org/10.1134/S1063774516060110 Kononova S.V., Volod’ko A.V., Petrova V.A., Kruchinina E.V., Baklagina Y.G., Chusovitin E.A., Skorik Yu.A. Pervaporation multilayer membranes based on a polyelectrolyte complex of λ-carrageenan and chitosan // Carbohydr. Polym. 2018. V. 181. P. 86–92. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2017.10.050 Dubashynskaya N.V., Petrova V.A., Sgibnev A.V., Elokhovskiy V.Y., Cherkasova Y.I., Skorik Yu.A. Carrageenan/chitin nanowhiskers cryogels for vaginal delivery of metronidazole // Polymers. 2023. V. 15. № 10. P. 2362. https://doi.org/10.3390/polym15102362 Patterson A. The scherrer formula for X-Ray particle size determination // Phys. Rev. 1939. V. 56. № 10. P. 978−982.https://doi.org/10.1103/PhysRev.56.978 Li L., Chen D., Zhang Y., Deng Z., Ren X., Meng X., Tang F., Ren J., Zhang L. Magnetic and fluorescent multifunctional chitosan nanoparticles as a smart drug delivery system // Nanotechnology. 2007. V. 18. № 40. P. 405102.https://doi.org/10.1088/0957-4484/18/40/405102 Bern M., Sand K.M.K., Nilsen J., Sandlie I., Ander J.T. The role of albumin receptors in regulation of albumin homeostasis: Implications for drug delivery // J. Controlled Release. 2015. V. 211. P. 144–162. http://doi.org/10.1016/j.jconrel.2015.06.006 Иорданский А.Л., Заиков Г.Е., Берлин А.А. Диффузионная кинетика и гидролиз биоразлагаемых полимеров. Потеря массы и контроль высвобождения низкомолекулярных веществ // Вестн. Казанского технолог. ун-та. 2015. Т. 18. № 2. С. 81–87.