Сотрудники Томского политехнического университета вместе с коллегами из Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, Института физики прочности и материаловедения СО РАН и других научных учреждений разработали коллоидные дисперсные магнитоэлектрические наночастицы ультрамалого размера на основе биосовместимых материалов. Они в десять раз меньше аналогов и обладают улучшенными магнитоэлектрическими свойствами. Это делает наночастицы перспективным «интерфейсом» в широком спектре биомедицинских приложений от онкотераностики до лечения нейродегенеративных заболеваний. Об этом сообщили в Минобрнауки России.

Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда № 23-23-00511. Результаты работы опубликованы в журнале Сeramics International (Q1, IF: 5,1), издание входит в топ-10 самых цитируемых журналов мира по керамическим материалам в рейтинге Web of Science.

Наночастицы магнетита клинически одобрены и нашли широкое применение в биомедицинских задачах. Сегодня магнитоэлектрические наночастицы на основе магнетита разрабатываются размерами более 200 нм. Более того, сам процесс синтеза может занимать до нескольких дней и включать много дополнительных процедур, например, отжиг для формирования кристаллической структуры. Электрофизические свойства таких наночастиц на порядок хуже аналогов, которые содержат токсичные элементы, такие как свинец и другие. Все эти факторы значительно ограничивают возможности клинического применения существующих магнитоэлектрических наночастиц на основе магнетита.

Сотрудники международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» Томского политеха синтезировали коллоидные дисперсные магнитоэлектрические наночастицы ультрамалого размера. Они состоят из магнетита и сегнетоэлектрического перовскита модифицированного титаната бария и имеют структуру «ядро-оболочка».

«Нам удалось успешно синтезировать дисперсные коллоидные магнитоэлектрические „ядро-оболочка“ наночастицы на основе биосовместимого магнетита с размерами менее 20 нм. В рамках нашего исследования впервые был применён микроволновый гидротермальный метод синтеза перовскитной оболочки на поверхности наночастиц магнетита, который позволяет сразу формировать кристаллические структуры, а также одновременно выполнять функционализацию наночастиц для снижения их агломерации, что является важным для тераностики», — отмечает лаборант МНИЦ «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» ТПУ Алина Уракова.

Магнитоэлектрические наночастицы были изготовлены на основе ядер оксида железа (Fe₃O₄), покрытых перовскитом модифицированного титаната бария Ba_0.85Ca_0.15Zr_0.1Ti_0.9O₃ (BCZT). Исследователям удалось достичь коллоидной стабильности наночастиц с помощью функционализации биосовместимой лимонной кислотой. Средний размер наночастиц составил 14–15 нм.

«Эксперименты показали, что полученные наночастицы обладают магнитоэлектрическим откликом на порядок выше, чем у ранее опубликованных результатов с магнетитом. Усиление электрофизических свойств было достигнуто за счёт модифицирования структуры титаната бария», — отмечает директор МНИЦ «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» профессор ТПУ Роман Сурменев.

Учёные выполнили систематическое исследование морфологии, состава, структуры, магнитных и электрофизических свойств разработанных наночастиц с помощью комплекса различных методов. Среди них просвечивающая электронная микроскопия, рентгеновская дифракция, спектроскопия комбинационного рассеяния света, фотоэлектронная рентгеновская спектроскопия, динамическое рассеяние света, магнитометрия и сканирующая зондовая микроскопия.

Часть экспериментов была посвящена каталитической активности разработанных наночастиц с помощью беспроводной магнитоэлектрической стимуляции. Для этого учёные воздействовали на наночастицы безопасным низкочастотным магнитным полем. Главная цель экспериментов — установить способны ли наночастицы продуцировать активные формы кислорода, которые оказывают губительное воздействие на онкологические клетки и ткани.

«Результаты показали, что наночастицы смогли разрушить более 80–90 процентов модельного красителя Родамина, который мы использовали для проверки, всего за один час воздействия низкочастотным магнитным полем. Важно отметить, что по сравнению с высокочастотными, низкочастотные магнитные поля являются безопасными, так как не приводят к нагреву магнитных наночастиц. Это является важным фактором, который в последствии поможет избежать губительных термических эффектов для здоровых клеток и тканей организма», — добавляет руководитель исследования, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Роман Чернозём.

В исследовании приняли участие сотрудники Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политеха, Томского госуниверситета, ИК СО РАН, ИФПМ СО РАН, Исследовательского центра науки и технологий (LIFT) и Центра нейробиологии и нейрореабилитации им. Владимира Зельмана.