Российские ученые синтезировали магнитоэлектрические наночастицы ультрамалого размера
Это делает наночастицы перспективным «интерфейсом» в широком спектре биомедицинских приложений от онкотераностики до лечения нейродегенеративных заболеваний.
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.
Ученые Международного 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 применен 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 Международного исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» ТПУ Алина Уракова.
Магнитоэлектрические наночастицы были изготовлены на основе ядер оксида железа (Fe3O4), покрытых перовскитом модифицированного титаната бария Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3 (BCZT). Ученым 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 счет модифицирования структуры титаната бария», — отмечает директор Международного исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы», профессор ТПУ Роман Сурменев.
Ученые 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 научной группы была посвящена каталитической активности разработанных наночастиц с помощью беспроводной магнитоэлектрической стимуляции. Для этого ученые 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% модельного красителя Родамина, который мы использовали для проверки, всего за один часа 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 Чернозем.
В исследовании приняли участие ученые Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политеха, Томского госуниверситета, 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.
Источник: пресс-служба Томского политехнического университета