Ученые берут обычный материал, например, кусочек металла или химическое соединение и воздействуем на него мощным лазером ультракороткими фемтосекундными импульсами. Выбор материала зависит от задачи. Наиболее часто в ход идут золото, серебро, нитриды и оксиды титана и гафния. Также активно применяются железо, никель, медь, тантал, молибден, кремний и цинк.
«Под действием лазера материал превращается в пар или плазму, а затем конденсируется в наночастицы. Это как если бы мы «выпаривали» кирпич, чтобы потом построить из его атомов микроскопический дом. Главное преимущество нашего метода в том, что мы можем создавать очень чистые и стабильные наночастицы со строго заданными свойствами, которыми затем можно управлять с помощью внешних полей или света», – объясняет инженер лаборатории, физик Артем Лактионов.
Одно из магистральных направлений работы – медицина. Онкологическое заболевание на ранней стадии почти невозможно увидеть на стандартном снимке МРТ или КТ – контраст между больными и здоровыми тканями слишком мал. Ученые из МИФИ разрабатывают наночастицы, которые могут стать «супер-контрастом». Если ввести их в организм, они накапливаются именно в опухоли, и на снимке она начинает светиться, как маяк. Это позволяет диагностировать рак на самых ранних стадиях.
Те же самые частицы могут работать как «троянский конь» для лечения онкологических заболеваний. В лучевой терапии важно уничтожить раковые клетки, не задев здоровые. Поэтому ученые также создают радиосенсибилизаторы – наночастицы, которые, накапливаясь в опухоли, делают ее в разы более чувствительной к облучению. Здоровые ткани остаются в безопасности, а дозу облучения для пациента можно снизить.
В лаборатории МИФИ идет работа над тем, чтобы сделать лечение более адресным. Это принцип «умной пули», которая сама находит цель. Кроме того, наночастицы пригодятся и в регенеративной медицине – они могут стимулировать заживление ран и бороться с бактериями, что критически важно, например, при лечении ожогов или сложных послеоперационных осложнений.
В лаборатории Бионанофотоники уже есть целый ряд материалов, которые прошли доклинические испытания и доказали высокую эффективность в исследованиях на культурах клеток и в тестах на лабораторных животных.
«Наша задача – находить свои уникальные формуляции и подходы к применению, опираясь на существующий мировой и локальный опыт. Если говорить предметно, то основа нашей технологической базы – фемтосекундные лазеры. Они сами по себе редкость, и работ по синтезу с их использованием действительно немного. Это дает нам особые рычаги воздействия на материал. Уникальность проекта именно в том, как быстро мы этими рычагами учимся пользоваться. У нас собраны специалисты из разных областей, и это позволяет нам первыми приходить к новым эффективным материалам. Вертикальная интеграция и скорость генерации идей – это, пожалуй, наше главное конкурентное преимущество», – говорит Артем Лактионов.
Ученые из МИФИ тесно сотрудничают с ведущими научными и медицинскими центрами страны: НМИЦ онкологии имени Блохина, Институтом биоорганической химии (ИБХ), Физическим институтом имени Лебедева (ФИАН), Институтом общей физики РАН. Такая коллаборация позволяет не только проверять разработки в реальных условиях, но и получать обратную связь от практикующих врачей и ученых смежных специальностей. Обсуждаются также направления совместных работ с коллегами из Китая и Индии.
На снимке – коллоид с наночастицами. Источник фото: отдел по работе со СМИ Национального исследовательского ядерного университета МИФИ