Ученые Уральского федерального университета проанализировали потенциал применения феррогелей с различной концентрацией магнитных нано- и микрочастиц для доставки лекарств по кровеносным сосудам и в качестве заменителей поврежденных костных и хрящевых тканей. Кроме того, они нашли возможность отслеживать феррогели в организме при помощи УЗИ-детектирования.

Феррогели, синтезируемые и исследуемые в УрФУ, являются искусственными композитами и состоят из полимерных гелей (их химический состав очень разнообразен и включает как биологические, так и синтетические полимеры), а также из внедренных нано- и (или) микроразмерных магнитных частиц. Оптимальные размеры, химический состав, концентрация и форма магнитных частиц определяются целями и планируемыми способами применения феррогеля (доставка определенного лекарства в конкретную область организма, заживление ткани и т. д.).

Для биологических применений в основном используются частицы окислы железа (магнетит, маггемит), так как они биологически интактны (то есть не вовлечены в физиологические процессы), но при этом обладают магнитными свойствами, обеспечивающими необходимую реакцию феррогеля на магнитное поле.

В достаточно мягких гелях частицы под действием магнитного поля способны не только менять форму и месторасположение феррогелей, но и, объединяясь в различные внутренние структуры, значительно менять механические, электрические и другие физические свойства этих материалов. Благодаря этому магнитные гели, в частности, могут служить «контейнерами» для доставляемого в организм лекарства или «платформой» для растущей биологической ткани.

С помощью теоретического и компьютерного моделировании и в экспериментах с использованием УЗИ-методики ученые Уральского федерального университета совместно с коллегами из Уральского государственного медицинского университета (УГМУ), а также вузов Испании и Франции исследуют способы адресной доставки лекарств в организме.

Суть метода в том, что содержащие лекарство микронные магнитополимерные капсулы инжектируются в организм и далее транспортируются в нужный участок с помощью внешнего магнитного поля. В настоящее время в УрФУ разрабатываются и отрабатываются методы высвобождения лекарств из капсул при помощи сжимающего магнитного поля (эффект сжимаемой губки). При этом безопасность процедуры обеспечивается небольшим, как правило, в несколько микрон, размером феррогелевых капсул.

«Идея состоит в следующем: жидкий феррогель с помощью шприца или другого подобного устройства вводится в места разрыва или разлома биологических тканей, в язвы, в пустоты, образованные после удаления некротизированных участков, в другие подобные места нарушения сплошности биологической ткани. Посредством внешнего магнитного поля феррогель фиксируется там до полной полимеризации. Как правило, этот процесс занимает порядка часа», — поясняет руководитель исследовательской группы, профессор кафедры теоретической и математической физики УрФУ Андрей Зубарев.

При необходимости внешним полем можно спровоцировать изменения пространственного расположения магнитных частиц феррогеля, чтобы создать оптимальную внутреннюю архитектуру и механические свойства импланта. Затем сквозь него начинает расти ткань из здоровых участков.

«Другими словами, магнитополимерный имплант, как пробка, заполняет пустоту ткани — разлом кости или хряща, язву и т. д., и через этот имплант растут клетки контактирующих с ним участков здоровой ткани, восстанавливая ее целостность и функциональность. Для обеспечения биосовместимости магнитополимерного импланта несущий гель синтезируется или из плазмы крови пациента, или из полисахаридов. Совместные исследования нашей группы и коллег из УГМУ показали, что местоположение феррогеля в организме можно отслеживать при помощи УЗИ-детектирования. С практической точки зрения этот метод представляется очень удобным и перспективным», — говорит Андрей Зубарев.

Отметим, что исследования и эксперименты специалистов УрФУ поддержали грантами и госзаданиями Российский научный фонд и Российский фонд фундаментальных исследований, Министерство науки и высшего образования РФ, а также научные фонды Испании, Франции и Германии.

Справка. Феррогели — искусственные композиты, сочетающие богатый набор свойств полимерных материалов с высоким откликом на магнитное поле. Интерес к феррогелям обусловлен активным развитием как инженерных, так и биологических технологий, использующих данные материалы, в частности, в магнитоуправляемых демпфирующих и ударогасящих устройствах, искусственных мышцах для робототехники и различных манипуляторов, в датчиках температуры, давления и химического состава атмосферы, биосенсорах, в технологиях адресной доставки и высвобождения лекарств в организме, выращивания и регенерации биологических тканей.