Уральские ученые научились контролировать движение лечебного гидрогеля

Гидрогели с магнитными наночастицами рассматривают как перспективные материалы для адресной доставки лекарств и имплантатов для регенерации тканей. С помощью внешнего магнитного поля можно управлять движением и формой образцов из этого материала. По ряду свойств синтетические гидрогели очень близки к тканям живого организма и нетоксичны, поэтому их можно использовать в медицинских целях.

Уральские ученые предложили безопасный метод обнаружения в живом организме гелей с различной концентрацией наночастиц с помощью медицинского ультразвука. Такая технология — важный шаг для развития диагностики и лечения различных заболеваний, включая онкологические. Работа поддержана грантом Российского научного фонда.

Гидрогель с магнитными наночастицами, также называемый феррогелем, представляет большой интерес для медицины. Это полимерная сеть, содержащая большое количество жидкости и крошечные частички оксида железа. Такой материал можно использовать в качестве основы для культивирования клеток и затем применять для заживления различных тканей. Наночастицы оксида железа можно ориентировать в пространстве с помощью внешнего магнитного поля, следовательно, лекарство, помещенное в гель, можно направить вместе с ними непосредственно к очагу заболевания. Такая адресная доставка веществ требует совсем небольшого количества препарата, а эффективность лечения увеличивается.

Но для контроля передвижений лекарства и процесса заживления поврежденных тканей необходим безопасный метод, позволяющий «увидеть» феррогель в организме человека.

Ультразвуковое исследование — один из наиболее доступных и точных методов диагностики. Прибор излучает не воспринимаемые человеческим ухом звуковые волны, проникающие внутрь организма. Различные ткани имеют неодинаковую плотность, и ультразвуковая волна частично отражается на границе между ними. Чем больше разница в плотности объектов, тем сильнее возвращающийся сигнал и лучше изображение. Уральские ученые показали, что интенсивность отраженного от феррогелей сигнала зависит от концентрации наночастиц оксида железа, а значит, варьируя состав феррогеля, можно распознать его среди биологических тканей.

Авторы исследования подготовили гели с разной концентрацией наночастиц и изготовили на их основе образцы двух типов: тонкие цилиндры для моделирования направленной доставки лекарств и круглые пластины в качестве модели имплантатов для заживления поврежденных тканей. Первые помещали в силиконовую трубку, имитирующую кровеносный сосуд, а вторые — в заполненную раствором емкость. С помощью аппарата ультразвуковой локации медицинского назначения ученые достаточно точно определили положение и границы феррогелей во всем диапазоне использованных концентраций наночастиц для образцов различной формы.

Интересно, что длина волны ультразвука для медицинской диагностики намного больше, чем размер наночастиц оксида железа. Это означает, что непосредственно частицы в различной концентрации не влияют на интенсивность отраженного эхосигнала. Другими словами, ультразвуковая волна отражается не от единичных частиц, а от их совокупности в составе феррогеля. Чтобы объяснить полученные результаты, ученые создали реалистическую теоретическую модель. Они предположили, что под действием звуковых волн происходит взаимодействие сетки гидрогеля с водой и магнитными частицами, создающее дополнительное сопротивление на пути звуковых волн.

«Результаты ультразвуковой локации подтолкнули нас по-новому взглянуть на взаимодействие полимерной сети геля с растворителем и наночастицами. Феррогели открывают новые возможности для регенеративной медицины и адресной доставки лекарств, поэтому мы планируем опробовать другие методы обнаружения частиц. Также интересно будет подробнее изучить механизмы распространения ультразвука в гидрогелях с различными физическими параметрами»,— подвела итог Галина Курляндская, доктор физико-математических наук, профессор-исследователь Института естественных наук и математики Уральского федерального университета.

В работе также принимали участие сотрудники Уральского государственного медицинского университета, Института электрофизики Уральского отделения РАН, Института физики металлов им. М. Н. Михеева Уральского отделения РАН и Университета Страны Басков в Испании, где была выполнена детальная аттестация магнитных свойств феррогелей.

По материалам статьи Ferrogels Ultrasonography for Biomedical Applications; Felix A. Blyakhman, Sergey Yu. Sokolov, Alexander P. Safronov, Olga A. Dinislamova, Tatyana F. Shklyar, Andrey Yu. Zubarev and Galina V. Kurlyandskaya, журнал Sensors, октябрь 2019 г.