Ученые ТПУ* в составе научной группы провели комплексное исследование дисперсных магнитоэлектрических наночастиц ультрамалого размера и возможности их функционализации. Исследование показало, что наночастицы способны не только активировать, но и тормозить клеточные процессы с помощью магнитного поля. Такой подход в перспективе может стать основой для разработки новых методов лечения на основе нанотехнологий, например, в онкотерапии и регенеративной медицине.

Исследования ученых поддержаны грантом Российского научного фонда. Результаты работ опубликованы в журнале ACS Applied Materials & Interfaces (Q1, IF: 8,5).

Ранее ученые Международного исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ вместе с коллегами разработали коллоидные дисперсные магнитоэлектрические наночастицы ультрамалого размера на основе биосовместимых материалов. Они в десять раз меньше аналогов и обладают улучшенными магнитоэлектрическими свойствами.

«Магнитоэлектрические наночастицы демонстрируют сильную связь между магнитными и электрическими свойствами, что позволяет осуществлять беспроводной контроль биологических процессов благодаря неинвазивной электростимуляции. Однако, функционализация поверхности (изменение физико-химических свойств поверхности материала – ред.) таких наночастиц и ее влияние на структуру, физические свойства и биологический ответ остаются в значительной степени неизученными. Для исследования этих характеристик мы провели комплексный анализ», — отмечает руководитель исследования, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Роман Чернозем.

Функционализированные магнитоэлектрические наночастицы со строением «ядро-оболочка» на основе биосовместимых феррита марганца (MnFe2O4) и перовскита модифицированного титаната бария Ba0.85Ca0.15Zr0.1Ti0.9O3 были разработаны с помощью микроволнового гидротермального метода. Их поверхность политехники функционализировали биосовместимыми соединениями – лимонной кислотой и пектином.

Результаты исследования показали, что использование пектина придает более электроотрицательный потенциал поверхности магнитоэлектрических наночастиц при использовании кислоты. Это позволит применять более высокие дозировки наночастиц, которые обладают высокой коллоидной стабильностью в водной среде, что является важным для достижения терапевтических эффектов.

Кроме того, политехники установили, что разработанный подход функционализации магнитоэлектрических наночастиц предложенными биосовместимыми агентами не оказал влияния на их структуру, состав, магнитные и магнитоэлектрические свойства. Это позволит обеспечить высокую точностью доставки и беспроводную электростимуляцию клеток и тканей.

«Разработанные наночастицы с лимонной кислотой и пектином имеют значительно разный потенциал поверхности, но при этом идентично сильный магнитоэлектрический отклик, который сравним с потенциально более токсичными зарубежными аналогами. Это открывает новые горизонты для управления клеточной активностью, так как такие свойства наносистем позволяют их эффективным образом включать и отключать в зависимости от необходимых условий. Это делает взаимодействие с клетками более гибким», — добавляет соавтор публикации, инженер-исследователь Международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» ТПУ Полина Чернозем.

По словам ученых, одним из наиболее интересных результатов исследования стало доказательство того, что наночастицы в зависимости от использованного функционализирующего агента имеют возможность бимодальной регуляции клеточной активности. Это достигается за счет применения электростимуляции с помощью безопасного низкоинтенсивного магнитного поля.

«Нам удалось продемонстрировать контроль над клеточной активностью с помощью магнитоэлектрических наночастиц с различными функционализирующими агентами. Мы можем стимулировать рост здоровых клеток и подавить активность злокачественных клеток, таких как онкологические. Такой подход в перспективе может стать основой для разработки новых методов лечения на основе нанотехнологий и наноматериалов, что радикально изменит подходы, например, к онкотерапии и регенеративной медицине, в которой стимуляцию клеток можно будет осуществлять неинвазивно без сложных хирургических процедур», — добавляет директор Международного исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы», профессор ТПУ Роман Сурменев.

В исследовании приняли участие ученые Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политеха, Института цитологии и генетики СО РАН, Исследовательского центра науки и технологий (LIFT), Томского госуниверситета, Института катализа им. Г.К. Борескова, Института физики прочности и материаловедения СО РАН и Центра нейробиологии и нейрореабилитации имени Владимира Зельмана.

*Уточнение: ТПУ - Томский политехнический университет — старейший технический вуз в азиатской части России и один из лучших инженерных университетов страны. Входит в топ-10 национальных, топ-100 международных предметных рейтингов и участвует в программе «Приоритет 2030». ТПУ — признанный научный и образовательный центр мирового уровня в области атомной и водородной энергетики, добычи и транспорта нефти и газа, IT, неразрушающего контроля, энергетики и электротехники, электроники, нанотехнологий, биотехнологий. В нашей колонке рассказываем о последних результатах работы ученых Томского политеха. О самом главном — просто и интересно.