Мороз под кожей: измеритель льда поможет добиться сверхчетких МРТ-снимков
Российские ученые разработали новую технологию, которая позволяет на микроуровне контролировать процесс образования льда даже в самых мутных растворах, а также точно фиксировать момент перехода вещества из жидкого в твердое состояние. Это имеет важное значение, например, для производства лекарств или магнитных наночастиц, используемых в контрастных агентах для МРТ-диагностики. По словам медиков, хорошее качество контраста сильно повышает диагностическую ценность снимков. А по мнению научных специалистов, кроме медицины предложенная технология найдет применение и в пищевой, и в химической промышленности.
Контроль образования льда
Специалисты Сколтеха разработали новую технологию, которая позволяет в реальном времени следить за процессом образования льда в любых, даже мутных растворах. С ее помощью можно видеть рост кристаллов льда внутри образца и определять точный момент его полного замерзания. Методика дает возможность подбирать и поддерживать оптимальную скорость заморозки для каждого химического состава, что необходимо, например, при производстве перспективных систем доставки лекарств внутри организма или контрастных агентов для МРТ на основе наночастиц оксида железа.
— До сих пор точный контроль скорости кристаллизации в ходе этих процессов был затруднен из-за отсутствия подходящих методов регистрации фазового перехода прямо во время эксперимента. Наша разработка решает эту проблему. Мы можем не только зафиксировать сам момент замерзания воды, но и точно отслеживать, с какой скоростью лед растет внутри раствора с частицами, — сказал первый автор статьи, старший научный сотрудник Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха Сергей Герман.
Метод основан на фотоакустическом эффекте. Ученые направляют на образец короткие лазерные импульсы, которые поглощаются материалом. Он испытывает термоупругие деформации и, как следствие, генерирует ультразвуковую волну. Анализируя параметры этой волны и задержку при ее регистрации, можно точно определить, где внутри образца вода превращается в лед и как быстро эта граница движется.
Используя технологию, можно оптимизировать производство сложных микро- и наноструктурированных материалов для биомедицины, как, например, носители для доставки лекарств. Она позволяет загрузить большое количество активных компонентов внутри пористых микрочастиц и микрокапсул. В результате получаются частицы с предсказуемыми свойствами и минимальным количеством агрегатов, что напрямую повышает их эффективность и безопасность в медицинском применении.
Практическое применение
Также методика позволяет получать обратную связь, чтобы определить момент полного замерзания образца. Это значительно сокращает время технологического цикла. Ранее процесс загрузки частиц активным веществом шел практически вслепую и требовал большого количества времени, а новая технология позволяет ускорить этот метод в пять раз.
— Фотоакустический подход, хорошо зарекомендовавший себя в биомедицинской визуализации, в нашей работе становится удобным инструментом мониторинга для технологий функциональных материалов. Мы получаем не просто способ ускорения подбора параметров и стандартизации получения нано- и микроструктурных материалов, а исследовательский инструмент. Он важен для перехода от эмпирического подбора параметров к осознанному проектированию материалов со сложной, заданной архитектурой и функциональностью, например, для создания более эффективных тераностических платформ нового поколения — современных биомедицинских систем, которые объединяют в себе две ключевые функции: диагностику и лечение в рамках единого целенаправленного подхода, — сказал профессор Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха Дмитрий Горин.
Разработка особенно полезна для работы с сильно рассеивающими и поглощающими растворами, где другие оптические методы анализа неэффективны. Она открывает путь к оптимизации производства материалов с заданными свойствами, подчеркнули ученые.
Качество магнитных наночастиц в контрастных агентах для МРТ играет важную роль при диагностике, отметила завотделением рентгеновской диагностики клинико-диагностического центра «Здоровье» Наталья Волконская.
— Контраст очень важен для МРТ. Он повышает диагностическую ценность снимка минимум вдвое и повышает точность диагностики. Его применяют во многих сложных случаях, например, для выявления краев резекции. Без контраста размер образования может казаться другим. Онкологических пациентов контрастировать нужно практически всех, — сказала она.
Как рассказал «Известиям» профессор РАН Александр Мажуга, предложенная технология имеет большой практический потенциал.
— Если говорить про макромасштаб, то в больших объемах существует большой набор физико-химических методов, которые позволяют оценить фазовый переход из жидкости, например, в твердую или из жидкости в газообразную фазу. Однако на микроуровне, на уровне единичных атомов получение наночастиц из раствора — очень важная и необходимая инновация. Она может найти применение в фармацевтике, пищевой промышленности, в микро- и малотоннажных химических производствах, — полагает он.
Технология особенно важна для производства наночастиц магнетита, которые используются как адресные средства для доставки лекарств и как контрастные агенты для магнитно-резонансной томографии. Их получение в определенном узком размере — это залог успешного применения в биомедицине, подчеркнул специалист.
