Гидрогели с магнитными наночастицами (феррогели) рассматривают как перспективные материалы для адресной доставки лекарств и клеточных имплантатов для регенерации тканей. Они обладают уникальной особенностью, связанной с возможностью управления движением и конфигурацией этих объектов с помощью внешнего магнитного поля. Уральские ученые предложили безопасный метод обнаружения в живом организме феррогелей с различной концентрацией наночастиц с помощью медицинского ультразвука. Со статьей можно ознакомиться в журнале Sensors. Работа поддержана грантом Российского научного фонда.

Картинка: фото научного коллектива, исполняющег...

Картинка: фото научного коллектива, исполняющего проект Российского научного фонда. Источник: Галина Курляндская

Гидрогель с магнитными наночастицами, также называемый феррогелем, представляет большой интерес для медицины. Феррогель — это полимерная сеть, содержащая большое количество жидкости и крошечные частички малотоксичного оксида железа. Такой материал можно использовать в качестве основы для культивирования клеток, поэтому имплантаты из феррогеля с клетками найдут применение для заживления различных тканей. Кроме того, феррогели с наночастицами оксида железа можно ориентировать в пространстве с помощью внешнего магнитного поля. Следовательно, лекарство, помещенное в такой объект, отправится вместе с ними непосредственно к очагу заболевания. Такая адресная доставка веществ требует совсем небольшого количества препарата. При этом эффективность лечения намного выше за счет минимизации побочных негативных последствий терапии. Для контроля передвижений лекарства и процесса заживления поврежденных тканей необходим безопасный метод, позволяющий «увидеть» феррогель в организме человека.

Ультразвуковое исследование пациентов является одним из наиболее доступных и точных методов диагностики. Прибор излучает не воспринимаемые человеческим ухом звуковые волны, проникающие внутрь организма. Различные ткани имеют неодинаковую плотность, в результате чего звуковая волна частично отражается на границе их раздела. Чем больше разница в плотности объектов, тем сильнее возвращающийся сигнал и лучше изображение. Магнитные наночастицы в составе гидрогелей значительно модифицируют свойства материала. Ученым впервые удалость показать, что интенсивность отраженного от феррогелей эхосигнала оказалась зависимой от концентрации наночастиц оксида железа. Следовательно, подобрав состав феррогеля определенной композиции, можно распознать его среди соответствующих биологических тканей.

Картинка: объекты исследования: a — наночастицы...

Картинка: объекты исследования: a — наночастицы оксида железа, наблюдаемые с помощью просвечивающей электронной микроскопии, б — феррогели для моделирования имплантантов, в — феррогели для модели адресной доставки лекарств. Источник: Галина Курляндская

Авторы исследования создали гели с разной концентрацией наночастиц и изготовили на их основе образцы двух типов: тонкие цилиндры для моделирования направленной доставки лекарств, и круглые пластины в качестве модели имплантатов для заживления поврежденных тканей. Первые помещали в силиконовую трубку, имитирующую кровеносный сосуд, а вторые — в заполненную раствором емкость. С помощью аппарата ультразвуковой локации медицинского назначения ученые достаточно точно определили положение и границы феррогелей во всем диапазоне использованных концентраций наночастиц.

Интересно, что длина волны ультразвуковых волн для медицинской диагностики намного больше, чем размер наночастиц оксида железа. Это означает, что непосредственно частицы в различной концентрации не влияют на интенсивность отраженного эхосигнала. Другими словами, ультразвуковая волна отражается не от единичных частиц, а от их совокупности в составе феррогеля. Чтобы объяснить полученные результаты, ученые создали реалистичную теоретическую модель. Они предположили, что под действием звуковых волн происходит взаимодействие сетки гидрогеля с водой и магнитными частицами, создающее дополнительное сопротивление на пути звуковых волн.

«Результаты ультразвуковой локации феррогелей подтолкнули нас по-новому взглянуть на взаимодействие полимерной сети геля с растворителем и наночастицами. Феррогели открывают новые возможности для регенеративной медицины и адресной доставки лекарств, поэтому мы планируем опробовать другие методы обнаружения частиц, а также изучить механизмы распространения ультразвука в гидрогелях с различными физическими параметрами» — подвела итог Галина Курляндская, доктор физико-математических наук, профессор-исследователь Института естественных наук и математики Уральского федерального университета.

В работе также принимали участие сотрудники Уральского государственного медицинского университета, Института электрофизики Уральского отделения РАН, Института физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения РАН и Университета страны Басков в Испании, где была выполнена детальная аттестация магнитных свойств феррогелей.