Ученые создали 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.
Рисунок 2. Графическое резюме исследвоанияРисунок 2. Графическое резюме исследвоания (Источник: НИТУ МИСИС)
«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 ученые 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.
Ученые из Национального исследовательского технологического университета МИСИС (Москва) 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, ученые 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.
Расчеты 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 твердого состояния в гелеобразное и высвобождает «запечатанный» доксорубицин.
Кроме того, ученые 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 ученые 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 нанесенным полимерным покрытием обладает высокой биосовместимостью и не приводит к гибели здоровых живых клеток. Таким образом, предлагаемый материал потенциально может использоваться для биомедицинских целей.
Рисунок 1. Руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Абдулкарим Амиров (Источник: НИТУ МИСИС)
«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.
В исследовании принимали участие сотрудники Дагестанского федерального исследовательского центра РАН (Махачкала), Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН (Пущино), Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) и Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова (Москва).