Материаловеды Томского политехнического университета в составе научной коллаборации разработали биосовместимые наночастицы, которые под действием слабых магнитных полей позволяют стимулировать работу нейронов головного мозга без хирургических вмешательств и имплантатов. Результаты исследований показали, что оптимизация структуры магнитоэлектрических наночастиц позволяет повысить количество стимулируемых нервных клеток за счет увеличения в три раза притока кальция к нейронам. Новая технология закладывает научные основы неинвазивного лечения неврологических заболеваний.
Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (№ 24-43-00171). Результаты работы опубликованы в журнале Ceramics International (Q1, IF: 5,6).
Для нейромодуляции клеток и тканей в современной медицине часто используют имплантируемые металлические электроды. Однако такая процедура может вызывать инфекции, травмировать ткани и отторгаться организмом. В качестве безопасной альтернативы ученые рассматривают биосовместимые магнитоэлектрические наночастицы. Это класс материалов на стыке материаловедения, физики и биомедицины, обеспечивающий возможность преобразовывать магнитное поле в локализованные электрические импульсы, что позволяет реализовать неинвазивную стимуляции живых клеток.
Ученые Томского политеха совместно с коллегами создали биосовместимые наночастицы размерами менее 30 нм (это в сотни раз меньше клеток крови — ред.). У каждой из них есть суперпарамагнитное ядро из соединения феррита марганца и бессвинцовой оболочки титаната бария. Синтез наночастиц проходил с помощью микроволнового гидротермального синтеза. Варьируя три параметра — температуру, концентрацию щелочи и длительность реакции — ученые управляли структурой наночастиц.
«Благодаря особой технологии синтеза мы научились точно настраивать свойства оболочки. Это позволило усилить магнитоэлектрический эффект: способность превращать магнитное воздействие в электрический сигнал, который «понимает» нервная клетка, — отмечает руководитель исследования, доцент Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ Роман Чернозем. — Особый интерес у нас вызвали частицы, синтезированные при температуре 185 °C. В их оболочке появились особые участки — частично аморфные зоны и следовое содержание одной из возможных промежуточных фаз в процессе формирования перовскита. Благодаря этому нам удалось получить рекордный магнитоэлектрический отклик для наноструктур, не содержащих свинец или кобальт, которые повышают риски токсического эффекта».
Результаты исследований показали, что наиболее перспективными являются наночастицы, синтезированные при температуре 185 °C. Они под действием слабого магнитного поля в три раза усилили приток ионов кальция в нейроны (это один из ключевых механизмов, лежащий в основе работы нервной системы, памяти и пластичности синапсов — ред.). Кроме того, такие частицы активировали на 20 % больше нервных клеток по сравнению с аналогичными частицами.
Тесты подтвердили полную безопасность наших наночастиц для клеток при концентрациях до 30 мкг/мл, такого объема достаточно для эффективной терапии. Новую технологию можно легко адаптировать под конкретную клиническую задачу: от лечения боли до восстановления после инсульта. В будущем такие наночастицы могут стать основой для терапии депрессии, лечения нейродегенеративных заболеваний (болезни Паркинсона и Альцгеймера), а также восстановления нервных волокон. В скором времени мы приступим к in vivo исследованиям на животных,
— добавляет директор международного научно-исследовательского центра «Пьезо и магнитоэлектрические материалы» ТПУ Роман Сурменев.
В исследовании приняли участие ученые Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политеха, Центра био- и медицинских технологий, ООО «Центр улучшения качества жизни с помощью технологий будущего», ТГУ, Института катализа им. Борескова СО РАН, Федерального медико-биологического агентства и Института цитологии и генетики СО РАН.