Наночастицы и магнитные поля: как это работает

Междисциплинарная Лаборатория новых магнитных материалов БФУ имени И. Канта объединяет группу молодых специалистов в области физики, химии и биологии. Работы направлены на изучение свойств материалов, которыми можно управлять с помощью внешних магнитных полей. Так как последние способны пронизывать тело человека, магнитные материалы находят множество применений в биомедицине. «Благодаря магнитным наночастицам можно манипулировать отдельными клетками и собирать из них структуры. Зачем это нужно? Это важно для фармацевтических компаний, ученых-биологов и медиков, чтобы проводить опыты, направленные на поиск путей борьбы с болезнями и старением в реальных условиях — на созданных моделях и аналогах тканей и клеток человека. Эксперименты, проводимые на лабораторных животных, не дают достоверной картины результатов испытаний для последующего использования. Организм человека значительно сложнее. Создаваемые нами структуры понадобятся для исследования метастаз или, например, воздействия лекарственных средств на модель фиброза печени», — рассказывает Валерия Родионова, кандидат физико-математических наук, руководитель лаборатории новых магнитных материалов БФУ имени И. Канта. В рамках проекта по 3D-культивированию клеточных и тканевых структур молодые сотрудники лаборатории синтезировали магнитные наночастицы, охарактеризовали их физические свойства и разработали методику управления ими. Наночастицы синтезировали из солей железа, и в результате ряда химических реакций получали биосовместимый материал, безвредный для организма — оксид железа. После этого ученые проводят «магнитную аттестацию», то есть проверяют, какой магнитной силой обладают наночастицы. Процесс синтеза наночастиц оксида железа БФУ имени И. Канта Процесс синтеза наночастиц оксида железа БФУ имени И. Канта Процесс синтеза наночастиц оксида железа БФУ имени И. Канта Также сотрудники лаборатории проводят детальное исследование магнитных и структурных свойств наночастиц, в том числе их состава и размера. Все эти показатели напрямую влияют на то, в каких областях будет использоваться материал. Работу ведут на разнообразных установках. Это, например, дифференциальный сканирующий калориметр и термогравиметрический анализатор. С помощью этих приборов можно оценить состав наночастиц по наличию точки Кюри (температура, при которой некоторые свойства вещества меняются скачкообразно) и их концентрацию в суспензии или полимере в случае наночастиц типа ядро/оболочка. Покрытие может обеспечить лучшую биосовместимость или коллоидную стабильность, то есть уменьшить слипание. Магнитные свойства наночастиц изучают методом вибрационной магнитометрии. Исследование свойств синтезированных наночастиц БФУ имени И. Канта Исследование свойств синтезированных наночастиц БФУ имени И. Канта Чтобы управлять наночастицами, необходимо уметь создавать локальные, то есть сфокусированные в малом объеме магнитные поля. Для этого в лаборатории изготавливают и изучают микропровода привычной цилиндрической формы, а также плоские. Плоские провода изготавливают на установках магнетронного осаждения тонкопленочных структур. Суть подхода заключается в том, что отрицательно заряженный проводник электрического тока (катод) бомбардируют положительными ионами. В результате атомы отрываются с поверхности катода и осаждаются на подложку через специально изготовленную маску. Чтобы изготовить цилиндрические провода, применяют метод Улитовского-Тейлора. Изобретенный еще в середине прошлого века, он остается популярным и в наши дни. Метод основан на механическом вытягивании стекла с расплавленным металлом внутри. Ученые проводят исследования динамических характеристик микропроводов, детально определяя в них процессы перемагничивания, при которых направление намагниченности образца меняется на противоположное. Таким образом можно предсказать конфигурацию магнитных полей, создаваемых самими проводами, и ее зависимость от внешних магнитных полей. Это дает возможность создать на микромасштабе рисунок магнитного поля, который позволит максимально эффективно удерживать магнитные наночастицы или клетки. Исследования проводятся на уникальном оборудовании, разработанном в БФУ имени И. Канта, а также методами компьютерного моделирования совместно с коллегами из других научных центров. Процесс изготовления и аттестации плоских микроструктур для создания локальных магнитных полей БФУ имени И. Канта Процесс изготовления и аттестации плоских микроструктур для создания локальных магнитных полей БФУ имени И. Канта Процесс изготовления и аттестации плоских микроструктур для создания локальных магнитных полей БФУ имени И. Канта Процесс изготовления и аттестации плоских микроструктур для создания локальных магнитных полей БФУ имени И. Канта Поскольку полученные материалы предполагается использовать для биомедицинских задач, сотрудники лаборатории тестируют образцы на токсичность. Только прошедшие проверку материалы будут использованы при создании клеточных структур. На финальном этапе эксперимента культуру выращивают в среде, содержащей наночастицы. Клетки поглощают магнитный материал и сами становятся магнитными. Важно установить механизмы этого процесса и то, как он повлияет на жизнедеятельность клетки. Появляется возможность контролировать их движение в полях различной конфигурации, созданных микропроводами. Проверка биосовместимости материалов и тестирование разрабатываемых систем для создания клеточных структур БФУ имени И. Канта Проверка биосовместимости материалов и тестирование разрабатываемых систем для создания клеточных структур БФУ имени И. Канта Проверка биосовместимости материалов и тестирование разрабатываемых систем для создания клеточных структур БФУ имени И. Канта Проверка биосовместимости материалов и тестирование разрабатываемых систем для создания клеточных структур БФУ имени И. Канта