Новые магнитоэлектрические наноструктуры на основе биосовместимых материалов синтезировали ученые Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политехнического университета (ТПУ), 18 июля сообщает пресс-служба вуза.

Эти материалы могут использоваться в биомедицине, в том числе для изготовления на их основе композитных материалов, которые найдут применение в регенеративной медицине, для создания биосенсоров, а также адресной доставки лекарств.

Магнитные и магнитоэлектрические свойства таких материалов позволяют управлять как перемещением, так и поверхностным зарядом этих наноструктур. Наночастицы можно легко модифицировать для выполнения конкретных задач, а в отличие от зарубежных аналогов, они не содержат токсичных материалов.

Результаты своей работы ученые представили в статье «Новые биосовместимые магнитоэлектрические нано- гетероструктуры MnFe₂O₄Core@BCZT Shell с эффективными каталитическими характеристиками», опубликованной в журнале Nano-Micro Small (Q1; IF: 15,153).

Наноразмерные структуры, обладающие потенциалом использования их в качестве неинвазивных хирургических инструментов, представляют большой исследовательский интерес для мировой науки.

Магнитоэлектрические наноструктуры можно двигать и управлять ими с помощью внешнего источника — магнитного поля или ультразвука, тогда как обычными магнитными наночастицами невозможно организовать контролируемое высвобождение лекарства.

Новые наночастицы с магнитоэлектрическими свойствами, синтезированные учеными ТПУ под руководством директора Международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» ИШХБМТ Андрея Холкина, можно использовать для биомедицинских приложений, тогда как ранее подобные наноразмерные структуры в России разрабатывались лишь для приложений в электронике.

Для синтеза новых гетероструктур был использован гидротермальный метод. Структура, создаваемая по типу «ядро-оболочка», позволяет получать материал с магнитоэлектрическими свойствами.

Для этого исследователи соединили два разных по кристаллической структуре и химическому составу материала. Ядро формируется из магнитострикционного материала — феррита марганца. Во внешнем магнитном поле такой материал способен растягиваться, сжиматься или скручиваться.

Ядро покрыли оболочкой из пьезоматериала — модифицированного титаната бария. «Когда мы подаем механическое напряжение на ядро, то есть деформируем материал за счет магнитного поля, деформация переходит на пьезооболочку и возникает электрический потенциал», — рассказал доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политеха Роман Чернозем.

С помощью внешнего магнитного поля этот поверхностный заряд можно перераспределять, то есть менять поляризацию. Возникающий при этом магнитоэлектрический эффект можно использовать для высвобождения в нужный момент лекарства, которое помещают на поверхности наноструктуры.

Для создания оболочки ученые использовали модифицированный титанат бария, в котором ионы бария частично заменили ионами кальция, а ионы титана — ионами циркония. Это позволило усилить пьезоэлектрические свойства, в разы повысив эффективность наноструктур.

При этом замена феррита кобальта, который обычно применяется для создания таких гетероструктур, ферритом марганца помогла избежать токсического эффекта. А с учетом того, что феррит марганца является рентгеноконтрастным веществом, с помощью томографа можно отслеживать его распределение и накопление в организме.

Эти свойства синтезированных наноразмерных структур обуславливает их высокую биосовместимость, способность легко встраиваться в организм пациента, стимулируя реакции клеток и тканей для получения оптимального терапевтического эффекта.

Поскольку многие процессы в организме управляются электрическими биосигналами, в том числе клеточные функции, то создав электрический материал, способный обладать функциями управления за счет пьезоэлектрического эффекта, можно «запускать» необходимые химические и биохимические реакции.

«Например, стимулировать регенерацию костных и нервных тканей или создавать губительный эффект для раковых клеток,  — продолжил пояснения профессор Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Роман Сурменев. — Сейчас мы активно изучаем потенциал наноструктур для разработки на их основе нейростимуляторов для лечения болезней Паркинсона и Альцгеймера».

Возможны и другие области применения таких наноструктур. Так, они могут эффективно использоваться для очистки водоемов от органических загрязнителей. Заряженный материал в воде инициирует генерацию активных форм кислорода, токсичных для органики, — бактерий, вирусов, красителей,

Ученые в настоящее время тестируют разработанные наноструктуры на биологических моделях и клеточных линиях, чтобы подобрать оптимальные эксплуатационные параметры — силу магнитного поля и время воздействия, при которых происходит усиление положительного эффекта воздействия наночастиц и снижение негативного.