Регистрация / Вход
Прислать материал

14.616.21.0064

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.616.21.0064
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук
Название доклада
Разработка комплекса оборудования и композитных наночастиц на основе кристаллических наночастиц, допированных металлическими наночастицами и редкоземельными ионами для фотогипертермии в ближнем инфракрасном диапазоне
Докладчик
Рябова Анастасия Владимировна
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Создание новых перспективных термо-агентов наряду с усовершенствованием техники мониторинга и обеспечения требуемой температуры в глубоких слоях биоткани:
Разработка композитных наночастиц (НЧ) на основе неорганических кристаллических фосфатных НЧ, допированных плазмонными НЧ и редкоземельными ионами Dy3+ и Nd3+ для фотогипертермии с возможностью люминесцентной навигации и неинвазивного определения температуры нагрева наночастиц по их спектральным характеристикам.
Изготовление макета комплекса оборудования для проведения фотогипертермии опухолей, локализованных в глубоких слоях биотканей, с использованием разрабатываемых композитных НЧ с возможностью люминесцентной навигации и неинвазивного определения температуры нагрева НЧ.
Актуальность и новизна исследования
Наиболее распространенные и эффективные современные методы для лечения рака включают хирургию, химиотерапию и абляцию. Хирургическое лечение может быть эффективным, если опухоль локализована и функционирует, что во многом зависит от типа рака и стадии его развития. На сегодняшний день известно несколько вариантов метода гипертермии, в том числе прямых локализованных или нелокализованных с нагревом посредством тепловых контуров, использование радиочастотных волн для нагрева тканей, использование оптических и тепловых датчиков, вставляемых в опухоли и т.д.
До сих пор метод локальной лазерной гипертермии так и не был внедрен в клиническую практику из-за сложности контроля равномерного объемного прогрева опухоли, нехватки технического решения, позволяющего проводить процедуру гипертермии автоматически без сложных расчетов температурных полей и привлечения сопровождения высококвалифицированного технического персонала. Настоящий проект объединяет достижения наших разработок в спектроскопии редкоземельных ионов, клинической визуализации и имиджинга и мировые наработки в области нанотехнологии.
Описание исследования

Теоретическое обоснование

- Выбор фосфатных матриц исходя из большой интенсивности люминесценции для электронного перехода Nd3+ 4F3/24I9/2, 4F5/24I9/2 и большого сечения поглощения для электронного перехода Dy3+ 6F5/26H15/2 с одной стороны и относительной биоинертностью с другой.

- Рассчитана кинетика релаксации температуры и теплового потока сферической НЧ при воздействии лазерного излучения с произвольной зависимостью накачки от времени. При постоянной плотности мощности накачки кинетика релаксации температуры и теплового потока имеют экспоненциальный вид, с характерными временами релаксации, определяющимися теплопроводностью, теплоемкостью, радиусом НЧ и теплоотдачей на границе. Для ансамбля НЧ широкое распределение по размерам НЧ приводит к замедлению кинетики диссипации. На начальном участке происходит быстрое остывание частиц с малым радиусом, на заключительном интервале нагретыми остаются только самые большие частицы.

- Теоретическое моделирование по определению оптимальной концентрации допирующих ионов активаторов Dy3+ на одну НЧ с целью эффективной фотогипертермии и Nd3+ с целью флуоресцентной диагностики в сильно рассеивающих средах с учетом пространственной ограниченности НЧ.

- Теоретическое моделирование условий эффективного определения температуры нагрева НЧ по спектральным данным, установлены закономерности распространения возбуждающего излучения 810 нм и флуоресцентного сигнала в тканях. Установлено, что глубина зондирования имеет степенную зависимость от расстояния между волокнами. При увеличении расстояния между волокнами от 1 до 4 мм наблюдается резкое увеличение глубины зондирования, при расстояниях более 4 мм увеличение глубины незначительно. Исходя из требований к мощности, необходимой для возбуждения люминесценции Nd3+ - 0.5 Вт/см2, оптимальным расстояние между волокнами является 3 мм. Использование такой конфигурации позволяет обеспечить глубину зондирования флуоресцентным излучением до 5 мм.

- Теоретическое моделирование параметров возбуждающего излучения для эффективной гипертермии в толще биоткани с использованием разрабатываемых композитных НЧ. Установлено, что при облучении непрерывным лазерным облучением 810 нм без использования охлаждения уже при плотности мощности 1 Вт/см2 наблюдается перегрев поверхности (Т=50˚С). Решением проблемы перегрева поверхности служит использование охлаждающего устройства. Был смоделирован нагрев в зависимости от плотности мощности лазерного излучения при для различных температурах охлаждения кулера. При плотности мощности 3 Вт/см2 охлаждения кулера до 10˚С уже достаточно, чтобы избежать перегрева. При использовании плотности мощности 5 Вт/см2 даже низкая температура кулера (Ткулера=0˚С) не помогает избежать перегрева. Таким образом, установлен рабочий диапазон для терапевтического облучения - 0.5÷3 Вт/см2 при условии использования охлаждения поверхности.

Экспериментальное моделирование

- Измерение оптических характеристик синтезируемых композитных НЧ.

- Процесс гипертермии с использованием разрабатываемого лазера и композитных НЧ. Исследовался нагрев водных коллоидов НЧ с золотым ядром разной формы, покрытых оболочкой DyPO4 - Au-нанозвездочки@DyPO4, Au-нанопалочки@DyPO4, так же исследовались композитные НЧ, состоящие из ядра LaF3:Nd(1%), покрытого разной толщиной оболочки DyPO4 - LaF3:Nd(1%)@DyPO4.

Установлено, что кинетика нагрева коллоида разрабатываемых НЧ имеет форму, близкую к линейной функции. НЧ, содержащие золотое ядро, имеют более высокий коэффициент нагрева, чем композитные НЧ с ядром из кристаллической матрицы, допированной Nd3+. Нагрев композитных НЧ с золотым ядром при возбуждении в полосу перехода 6H15/2 - 6F5/2 Dy3+ почти в 1.5 раза выше, чем на длине волны 850 нм. Нагрев НЧ Au-нанопалочки@DyPO4 до 4.5 раза выше при облучении лазером в непрерывном режиме и более чем в 2 раза выше при облучении импульсным фемтосекундным квази-непрерывным лазером, чем для НЧ Au-нанозвездочки@DyPO4.

- Оптимизация методики регистрации локального изменения температуры в микроокружении композитной НЧ при нагреве независимыми методами - люминесцентным кинетическим и спектральным.

- Флуоресцентная диагностика с использованием разрабатываемой аппаратуры и композитных НЧ.

- Получение зависимостей увеличения температуры наночастиц и окружающей среды от длины волны и мощности возбуждающего лазерного излучения в ближнем инфракрасном диапазоне.

Результаты исследования

В результате теоретического моделирования получены параметры нанокомпозитов, обладающих плазмонным резонансом для усиления поглощения энергии в ближнем инфракрасном диапазоне ионами Dy3+ и Nd3+ на 810 нм:

тип "золотой наноэллипсоид в оболочке из YPO4,": размеры ядра - a = 6 нм, b = 24 нм, c = 6 нм, толщина оболочки - d = 13 нм;

тип "золотой нанодиск в оболочке из YPO4,": размеры ядра - a = b = 45 нм, с = 4 нм, толщина оболочки - d = 13 нм;

тип "ядро YPO4 в золотой оболочке": размеры ядра - a = b = с = 40-50 нм, толщина оболочки - d = 5.2-6.5 нм. Для данной геометрии и состава нанокомпозитов действует правило: чем меньше толщина золотой оболочки, тем более в красную область сдвигается резонансная длина волны.

Экспериментально оценено, что характерное время воздействия на НЧ ксенотима размером 100-200 нм должно составлять сотни пикосекунд с энергией в импульсе, зависящей от решаемой медицинской задачи.

Изготовлен макет лазера ближнего инфракрасного диапазона на основе полупроводникового лазерного диода с длиной волны 810 нм с максимальной мощностью 8 Вт, с диапазоном регулирования мощности излучения 0.2 - 8 Вт, диапазоном регулирования времени излучения 1 - 60 минут, с выходным оптическим разъемом типа SMA-905, оснащенный устройством обратной связи для оптимизации сеанса гипертермии. Импульсный режима работы диодного лазера реализуется при использовании оптического прерывателя в диапазоне 100 µс-1с, в диапазоне характерных времен жизни люминесценции Nd3+, по которым планируется определять локальную температуру нагрева ближайшего окружения НЧ.

Изготовлен макет видео-системы, регистрирующей спектральное люминесцентное изображение разрабатываемых композитных НЧ в ближнем инфракрасном диапазоне. Макет видеосистемы состоит из модуля регистрации изображений, источника лазерного излучения, источника широкополосного излучения, блока обработки изображений и системы светофильтров.

Изготовлен макет волоконно-оптического устройства, сопряженного со спектроанализатором, позволяющего регистрировать диффузно-рассеянное излучение с заданной глубины биоткани, в том числе, содержащей разрабатываемые наночастицы.

Разработана методика синтеза НЧ с покрыванием полученных НЧ слоем кристаллического фосфата диспрозия при помощи гидротермально-микроволновой обработки водного коллоида полученных наночастиц в присутствии осадителя (K2HPO4) и цитратного комплекса иона Dy3+. Исследована морфология и UV-Vis спектры пропускания полученных коллоидных нанокомпозитов.

Оптимизирована методика гидротермально-микроволнового синтеза хорошо закристаллизованных наночастиц легированных фосфатов РЗЭ.

Получены НЧ «металлическое ядро/ оболочка из кристаллических фосфатов РЗЭ, допированных Dy3+, Nd3+», методом синтеза со-осаждения в водных растворах с последующей гидротермальномикроволновой обработкой. При использовании наностержней золота удается получить композитные наночастицы, в которых DyPO4 покрывает наностержни золота. При этом полоса поглощения наностержней золота после покрывания остается в области первого окна прозрачности биологических тканей, что необходимо для дальнейшего применения полученных нанокомпозитов при гипертермии раковых опухолей.

Практическая значимость исследования
Ключевые прогнозируемые конкурентные преимущества продукта состоят в комплексном подходе прецизионной управляемой лазерной гипертермии, минимизирующем риск недостаточного воздействия и перегрева в объеме новообразования, и, соответственно, продолженного злокачественного роста и некротических повреждений. Подобный подход обеспечивает надежность метода лазерной гипертермии, являющегося дешевой альтернативой протонной терапии. Кроме того, метод локальной лазерной гипертермии в ближнем инфракрасном диапазоне, позволит занять нишу терапии новообразований с локализациями, сложными для хирургического иссечения и недоступными для фотодинамической терапии (ФДТ) вследствие глубокого залегания в толще ткани, например, подкожных метастазах рака молочной железы, метастазах в печень. Потенциальные потребители продукта проекта - государственные и частные больницы, онкологические центры. Таким образом, структурные сдвиги в отрасли или значительные изменения в используемых технологиях, так же как и себестоимость процессов благодаря разрабатываемой инновации предполагаются за счет повышение качества услуг онкослужбы РФ.