Их можно вырастить из расплава с температурой выше 2 тыс. градусов

Ученые из России разработали сапфировую иглу для лазерной терапии, которая может быть использована как для микрохирургии, так и для точечного лазерного воздействия на отдельные участки биологических тканей. Изобретение станет полезным инструментом при лечении и диагностике злокачественных новообразований. Работа проводилась при поддержке президентской программы исследовательских проектов Российского научного фонда (РНФ).

Применение лазеров широко распространено в медицинской практике благодаря их точности и минимальной травматичности, а также многообразию режимов работы и методик. Коррекция зрения и удаление пигментных образований требуют конкретных параметров настройки оборудования и проведения процедуры. Лазерное внутритканевое воздействие в биомедицине подразумевает использование оптических волокон для доставки излучения. Волокна внедряют с помощью иглы или катетера, но в процессе введения и контакта с тканями, а также при использовании излучения большой мощности они часто повреждаются. Специалисты стараются продумать способы защиты конструкции так, чтобы она удовлетворяла ряду требований: выдерживала высокие температуры, была совместимой с организмом, прочной, прозрачной в видимом и инфракрасном диапазоне и ни с чем не реагировала, оставаясь компактной и простой в использовании.

Такими свойствами обладает сапфир — оксид алюминия, который по твердости уступает только алмазу, с температурой плавления 2040 °C. Из синтетических сапфиров делают офтальмологические скальпели, защитные стекла оптики ракет и самолетов, подложки в микросхемах и даже брекеты. Конечно, благодаря своим уникальным свойствам они пользуются спросом в различных областях лазерной техники. Однако сапфир тяжело обрабатывать из-за его высокой твердости, что затрудняет или делает невозможным получение изделий сложной формы.

Решением этой проблемы стал метод выращивания кристаллов из расплава оксида алюминия (edgedefined filmfed growth, или EFG). Эта концепция подразумевает, что создаваемое изделие или его элемент формируется в жидком состоянии и преобразуется в твердое при соответствующих условиях кристаллизации. Сапфир выращивают из расплава, получаемого при температуре 2053 °C. Жидкость поднимается к вершине специально изготовленной матрицы через узкие каналы из-за капиллярных сил. На поверхности матрицы образуется пленка, из которой при определенном температурном градиенте в камере «растет» кристалл со скоростью около 50–150 мм/ч. Таким образом можно получать сапфировые кристаллы сложной формы с необходимым профилем поперечного сечения и с относительно низкой себестоимостью.

С помощью технологии EFG коллективом ученых из ведущих российских институтов была изготовлена сапфировая капиллярная игла с микрофокусировкой, способная концентрировать лазерное излучение в небольшое пятно вне оптического волокна, предотвращая его возможный перегрев и повреждения. Она имела толщину 1,2 мм (что примерно соответствует размерам обычной медицинской иглы для инъекций) и длину 3 мм, а ее внутренний канал для оптического волокна в диаметре составил 0,5 мм.

«Сапфировые иглы, созданные с помощью методики роста кристаллов из расплава, обладают большими преимуществами по сравнению с традиционными инструментами для внутритканевого лазерного воздействия. За счет свойств сапфира возможно их многократное использование и совмещение с МРТ-диагностикой. Оптическое волокно защищено от перегрева и разрушения, так как не контактирует с тканью непосредственно. Такие иглы могут быть использованы для лазерной терапии опухолей и одновременной диагностики новообразований»,— говорит руководитель проекта по гранту РНФ Ирина Долганова, кандидат технических наук и научный сотрудник Института физики твердого тела РАН.

По материалам статьи «Microfocusing sapphire capillary needle for laser surgery and therapy: fabrication and characterization»; Irina N. Dolganova, Irina A. Shikunova, Arsen K. Zotov, Marina A. Shchedrina, Igor V. Reshetov, Kirill I. Zaytsev, Valery V. Tuchin, Vladimir N. Kurlov; журнал Journal of Biophotonics, июль 2020 г.