Научным коллективом создан смарт-композит на основе металлического сплава с
покрытием из термочувствительного полимера, который можно использовать для доставки лекарств. Под
действием магнитного поля металлическая подложка охлаждается, что, в свою очередь, приводит к резкому
изменению физико-химического состояния полимерного покрытия и последующему высвобождению лекарства. Для
активации процесса достаточно магнитного поля, которое создают современные медицинские томографы,
поэтому разработка может использоваться на серийном оборудовании.
Результаты исследований, поддержанных грантом Российского научного фонда,
опубликованы в ACS Applied Engineering
Materials и Journal of
Composites Science.
«Умные» или смарт-материалы — материалы, чьи структурные, оптические,
механические и другие свойства меняются при варьировании внешних условий среды (температуры, давления,
действии электрического или магнитного поля и других). Например, в медицине используются термочувствительные
полимеры — их свойства, в частности растворимость, зависят от температуры окружающей среды. Так, при одних
температурах они полностью растворяются в воде, а при других становятся нерастворимыми. Активировать
термочувствительные полимеры можно либо напрямую с помощью нагревания, либо действуя на них магнитным полем,
под влиянием которого материал нагревается или охлаждается.
Магнитная активация термочувствительных полимеров может использоваться для
доставки и высвобождения лекарственных препаратов. Так, ранее учёные разработали
композитный материал на основе гадолиния и полимерного покрытия, температура которого изменяется при
действии магнитного поля. Однако гадолиний токсичен для человеческого организма, а для изменения его
температуры требуется магнитное поле большой мощности — 8 Тесла, в то время как магнитные поля стандартных
медицинских томографов редко превышают 3 Тесла.
Сотрудники Национального исследовательского технологического университета
МИСИС (Москва) вместе с коллегами из Института физики им. Х.И. Амирханова Дагестанского федерального
исследовательского центра РАН (Махачкала), Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН
(Москва) и Билефельдского университета прикладных наук (Германи) разработали композитный смарт-материал для
контролируемого магнитным полем высвобождения лекарств.
Предлагаемый композит имеет двухслойную структуру и состоит из
железо-родиевого сплава, который охлаждается под действием магнитного поля, и полимерного покрытия. В
качестве полимера авторы использовали термочувствительный поли(N-изопропилакриламид): при температуре выше
32 °С он нерастворим в воде, а при более низких значениях переходит в растворимое гелеобразное состояние.
Благодаря тому, что температура перехода между разными состояниями этого полимера близка к температуре
человеческого тела, он считается перспективным материалом для тканевой инженерии, регенеративной медицины и
доставки лекарственных препаратов.
Используя лазер, учёные модифицировали поверхность сплава, проделав на его
поверхности на равном расстоянии друг от друга «лунки», в которые поместили доксорубицин — противоопухолевое
средство, используемое при химиотерапии различных типов рака. Затем нанесли полимерное покрытие, которое
прочно «запечатало» лекарственный препарат.
Расчёты показали, что действия магнитного поля величиной 1,8 Тесла,
доступного в стандартных медицинских томографах, достаточно для охлаждения композита от 37 °С — температуры
организма человека — до 32 °С, при которых полимер переходит из твёрдого состояния в
гелеобразное и высвобождает «запечатанный» доксорубицин.
Кроме того, учёные экспериментально проверили, как высвобождается
лекарственный препарат из материала. Для этого образец нагрели до 37 °С, после чего включили магнитное поле
мощностью 3 Тесла, которое привело к охлаждению системы. Методами спектроскопии исследователи убедились в
том, что это приводит к высвобождению доксорубицина.
Также исследователи провели биологическое тестирование композитного
материала, поместив на его поверхность клетки соединительной ткани — фибробласты — эмбрионов мыши и оценив
их жизнеспособность спустя трое суток. Эксперимент показал, что композитный каркас на основе
железо-родиевого сплава с нанесённым полимерным покрытием обладает высокой биосовместимостью и не приводит к
гибели здоровых живых клеток. Таким образом, предлагаемый материал потенциально может использоваться для
биомедицинских целей.
«В основе нашего подхода лежит магнитокалорический эффект, наблюдаемый в
подложке из железо-родиевого сплава. Природа этого эффекта заключается в изменении температуры магнитного
материала в условиях отсутствия теплообмена с окружающей средой при его намагничивании или размагничивании
во внешнем магнитном поле. Предложенный материал удобен тем, что активировать высвобождение лекарства из
него можно с помощью однократного включения магнитного поля 3 Тесла, доступного в современных аппаратах для
магнитно-резонансной томографии (МРТ). В дальнейшем мы планируем проверить реализуемость этой модели в
масштабе микро- и наночастиц железо-родиевого сплава. Это комплексная исследовательская задача: от
разработки технологии получения самих частиц и создания полимерных структур на их основе до проведения
экспериментов, демонстрирующих конечный эффект. Кроме того, мы надеемся, что продолжение исследований
откроет новые возможности применения этого уникального сплава», — рассказывает руководитель проекта,
поддержанного грантом РНФ, Абдулкарим Амиров, кандидат
физико-математических наук, сотрудник Национального исследовательского технологического университета
МИСИС.
Руководитель проекта, поддержанного грантом
РНФ, Абдулкарим Амиров
В исследованиях также принимали участие сотрудники Института теоретической и
экспериментальной биофизики РАН (Пущино) и Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.
Источник: пресс-служба РНФ.