Ученые Томского политехнического университета разработали коллоидные дисперсные магнитоэлектрические наночастицы ультрамалого размера на основе биосовместимых материалов. Размер таких наночастиц в десять раз меньше аналогов, и они обладают улучшенными магнитоэлектрическими свойствами. Это делает наночастицы перспективным «интерфейсом» в широком спектре биомедицинских приложений от онкотерапии до лечения нейродегенеративных заболеваний.
Руководителем исследования является доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Роман Чернозем. ТПУ
Грант Российской научной организации профинансировал исследования. (№ 23-23-00511Ученые опубликовали результаты своей работы в журнале. Сeramics International Журнал вошел в топ-10 наиболее цитируемых изданий мира по керамическим материалам по данным Web of Science.
Магнетит, получивший клиническое одобрение, широко применяется в биомедицине. Разрабатываются магнитоэлектрические наночастицы на его основе размером более 200 нм. Синтез может длиться несколько дней и включать отжиг для формирования кристаллической структуры. Электрофизические свойства таких наночастиц уступают аналогам, содержащим свинец и другие токсичные элементы. Всё это существенно ограничивает возможности клинического применения магнитоэлектрических наночастиц на основе магнетита.
В Томском политехе ученые Международного исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» синтезировали коллоидные дисперсные магнитоэлектрические наночастицы ультрамалого размера. Наночастицы состоят из магнетита и сегнетоэлектрического перовскита, модифицированного титаната бария, и имеют структуру «ядро-оболочка».
В ходе исследования удалось синтезировать дисперсные коллоидные магнитоэлектрические наночастицы “ядро-оболочка” на основе биосовместимого магнетита с размером менее 20 нм. Во время работы впервые применили микроволновой гидротермальный метод синтеза перовскитной оболочки на поверхности наночастиц магнетита. Данный метод позволяет сразу формировать кристаллические структуры и одновременно выполнять функционализацию наночастиц для снижения их агломерации, что важно для тераностики. Алина Уракова.
На основе ядер оксида железа (Fe3O4) создали магнитоэлектрические наночастицы, покрытые перовскитом Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3 (BCZT). Достигнуть коллоидной стабильности наночастиц помогла функционализация биосовместимой лимонной кислотой. Средний размер наночастиц равен 14-15 нм.
Эксперименты выявили, что полученные наночастицы демонстрируют магнитоэлектрический отклик значительно превосходящий результаты с магнетитом из ранее опубликованных исследований. Усиление электрофизических свойств достигнуто за счёт модификации структуры титаната бария. Роман Сурменев.
В ходе систематического исследования ученые использовали различные методы для изучения морфологии, состава, структуры, магнитных и электрофизических свойств наночастиц. В число применяемых методик вошли просвечивающая электронная микроскопия, рентгеновская дифракция, спектроскопия комбинационного рассеяния света, фотоэлектронная рентгеновская спектроскопия, динамическое рассеяние света, магнитометрия и сканирующая зондовая микроскопия.
В ходе экспериментальной работы группа исследователей изучила каталитическую активность созданных наночастиц при помощи беспроводной магнитоэлектрической стимуляции. Для этого ученые подвергали наночастицы воздействию безопасного магнитного поля низкой частоты. Главная задача экспериментов – выяснить, способны ли наночастицы генерировать активные формы кислорода, оказывающие разрушительное действие на опухолевые клетки и ткани.
Эксперименты выявили, что наночастицы разрушили более 80-90% моделирующего красителя Родамина за час воздействия низкочастотным магнитным полем. Важный момент: в отличие от высокочастотных, низкочастотные магнитные поля безопасны, так как не приводят к нагреванию магнитных наночастиц. Это позволит предотвратить негативные термические эффекты для здоровых клеток и тканей организма. Роман Чернозем.
В исследовании принимали участие ученые Томского политеха, Томского государственного университета, Института катализа имени Г.К. Борескова СО РАН, Института физики прочности и материаловедения СО РАН, Исследовательского центра науки и технологий (LIFT) и Центра нейробиологии и нейрореабилитации имени Владимира Зельмана.
Информация и фотография предоставлены пресс-службой Томского политехнического университета.