Томские ученые ставят полимеры для электроники на службу медицине

С помощью особых магнитов можно доставлять лекарство точно в нужное место внутри тела. Или, например, восстанавливать нервную и гладкомышечную ткани, активировать биологические процессы в мозге, бороться с раком, атеросклерозом и питать кардиостимуляторы вместо батарей, у которых ограничен срок службы.

Уникальная лаборатория

Чтобы объяснить, что такое пьезо- и магнитоэлектрические материалы, потребуется немного углубиться в физику. Начать стоит с того, что при изменении магнитного поля все вещества немного меняют объем и свои линейные размеры. Это связано с тем, как атомы взаимодействуют между собой в кристаллической решетке, и называется «магнитострикция». Чем активнее материал откликается на магнит, тем больше эти изменения.

Люди научились использовать этот эффект с пользой и применяют его, например, для генерации ультразвука. Если поместить никелевый стержень в достаточно сильное продольное переменное магнитное поле, из-за магнитострикции он начнет то удлиняться, то сжиматься обратно. В результате колебание его концов вызовет появление высокочастотной звуковой волны.

Некоторые кристаллы, имеющие подходящую структуру (например, кристаллы кварца), также обладают другим интересным свойством, связанным с электричеством и магнетизмом. Если начать механически деформировать такой кристалл, на его гранях появляются электрические заряды. Причем величина этих зарядов пропорциональна силе деформации. Этот эффект называется «пьезоэлектрическим». А если сам такой кристалл поместить в электрическое поле, то сработает обратный эффект и напряжение возникнет внутри него.

Именно эффекты магнитострикции и пьезоэлектричества и собираются применять в медицине ученые из новой лаборатории Научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» ТПУ, которая была создана в 2021 году. Кроме специалистов из Томска в ней будут также работать их коллеги из Сибирского государственного медицинского университета и Института химической биологии и фундаментальной медицины СО РАН.

«Пьезо- и магнитоэлектрические материалы — это гибридные материалы, которые состоят из магнитного или магнитострикционного компонента и пьезоэлектрической оболочки, — рассказывает директор центра Роман Сурменев. — Они интересны тем, что позволяют изменять свое поляризационное состояние и прецизионно [т.е. с повышенной точностью — прим. ред.] управлять их расположением (например, в организме человека) в результате внешнего воздействия, например, ультразвука или магнитного поля. Причем эти воздействия позволяют адресно управлять клеточным поведением или реакцией вновь формируемой ткани».

Чаще всего для этих целей используют многослойные наночастицы различной формы и так называемой core-shell структуры, у которых ядро и оболочка различаются по составу и могут выполнять разные функции. Магнитоэлектрические наночастицы вводят внутривенно и, воздействуя магнитом или ультразвуком, доставляют в нужное место. Другой вариант – имплантировать бессвинцовый каркас-скаффолд, то есть трехмерную матрицу, имитирующую вещество, объединяющее отдельные клетки в ткани и единый организм (так называемый «внеклеточный матрикс»). Высвобождение заданной дозы лекарства или биоактивного вещества в обоих случаях также стимулируют магнитным полем или ультразвуком.

Российские ученые на острие науки

Раньше пьезо- и магнитоэлектрические материалы использовали в основном в качестве элементов микроэлектроники. И только в последние несколько лет за рубежом некоторые виды пьезополимеров начали использовать для решения актуальных задач биологии и медицины. Впрочем, в мире они уже успели стать очень востребованными для этих целей. В России оба типа материалов по-прежнему развиваются в первую очередь как элементная база различных приборов.

А вот магнитоэлектрические материалы пока находятся на стадии фундаментальных исследований во всем мире. В клинической медицине они еще не используются. Но благодаря своим свойствам они крайне перспективны в качестве материалов для имплантатов и для управляемого воздействия на различные типы клеток: стволовые, раковые и другие. Так что фундаментальные исследования в новой лаборатории ТПУ будут по-настоящему передовыми не только по меркам России, но относительно всего мира.

В России оба типа материалов по-прежнему развиваются в первую очередь как элементная база различных приборов.

«В настоящее время в медицине используются материалы, которые выполняют задачу замещения или восстановления функций органов и тканей, однако эти материалы, композиты и скаффолды невосприимчивы к внешним воздействиям (например, ультразвук, магнитное поле). Таким образом, они выполняют свою функцию благодаря присущим им свойствам, которые закладываются на этапе получения материала или изделия. Наши материалы позволяют целенаправленно влиять на поведение клеток или тканей за счет воздействия на них ультразвуком или магнитным полем», — объясняет Роман Сурменев.

В ходе исследований в ТПУ планируют как получить новые типы пьезо- и магнитоэлектрических материалов, так и определить область их наиболее перспективного биомедицинского применения.

«Для меня лично данная работа интересна в первую очередь в связи с тем, что мы занимаемся синтезом новых композитных материалов, которые имеют перспективу использования на практике. Большой интерес обусловлен также синтезом «умных» материалов, свойства которых зависят от внешних физических воздействий», — считает Роман Сурменев.

Как государство поддерживает перспективные исследования

Создать лабораторию пьезо- и магнитоэлектрических материалов в ТПУ в этом году удалось благодаря мегагранту. Это правительственная программа международного сотрудничества российских вузов и научных организаций с учеными мирового уровня и ведущими зарубежными научно-образовательными центрами в сферах науки, образования и инноваций. С 2010 года шанс победить в конкурсе и получить мегагрант есть у любого российского научного учреждения, включая негосударственные.

В рамках конкурса мегагрантов из федерального бюджета российским вузам и научным организациям выделяется финансирование на поддержку исследований, соответствующим приоритетам Стратегии научного-технологического развития Российской Федерации. Сейчас план реализации стратегии рассчитан до 2025 года. В случае исследования пьезо- и магнитоэлектрических материалов в ТПУ проект отвечает приоритету по переходу к персонализированной медицине и высокотехнологичному здравоохранению.

По условиям конкурса мегагрантов, руководителями таких проектов должны быть ведущие ученые с мировым именем. Учитываются научные достижения, уровень научных публикаций, опыт ведущего ученого и ключевых членов коллектива по выбранному направлению исследования. Приглашенный ученый должен сформировать в университете исследовательскую лабораторию мирового уровня. Для лаборатории пьезо- и магнитоэлектрических материалов в ТПУ таким руководителем стал профессор Университета Авейру (Португалия) Андрей Холкин.

«Ценность программы мегагрантов в том, что российские вузы не просто привлекают в качестве руководителей проектов ученых с мировым именем. Программа позволяет сформировать и поддержать коллективы, работающие на фронтирах науки. При этом поддержку получают только те проекты, по которым у вуза уже есть собственный существенный научный задел. После официального завершения мегагранта научная работа не останавливается: в вузе остаются люди, лаборатории, новые знания, технологии», — рассказывает врио ректора ТПУ Андрей Яковлев.

В 2020 году на конкурс подали 465 заявок из 57 регионов. Участие в нем приняли ведущие ученые из 50 стран мира совместно с 222 организациями России

В итоге поддержку получили 43 проекта, два из которых осуществляют на базе Томского политеха.

На создание лаборатории пьезо- и магнитоэлектрических материалов Томскому университету за 3 года выделят в общей сложности 90 млн рублей. На первых этапах это уже позволило закупить новое оборудование, которое необходимо для исследований: например, источники постоянного и переменного магнитного поля, установку для микроволнового синтеза, а также комплектующие для монтажа небольших приборов для изучения пьезоотклика материалов.

• #Новые материалы