Как нагревают молекулы и клетки с помощью наночастиц
Нагревать живые клетки и молекулы с помощью наночастиц стали уже достаточно давно – как минимум, десять лет назад. Делают это в основном с помощью лазера в инфракрасном (ИК) диапазоне. Именно эти волны могут с минимальными потерями проходить сквозь биологические ткани, не нанося им ущерба. Излучение попадает на наночастицу, например, из золота или другого биосовместимого металла. За счет того, что золото хорошо поглощает ИК-излучение, световая энергия переходит в тепловую. Если поместить частицу золота рядом с клеткой, то локальное повышение температуры вызовет разрушение только этой клетки.
Почему этот метод был сразу же подхвачен учеными-медиками? С его помощью можно «сжигать» раковые клетки очень прицельно, не затрагивая прочие системы организма. Для того чтобы наночастицы прикреплялись к определенным клеткам, а не блуждали случайным образом по организму и не раздражали иммунную систему, их покрывают специальными веществами. Эти вещества распознаются рецепторами раковых клеток, и таким образом наночастицы закрепляются на их поверхностях.
Однако здесь возникала проблема. Если методы нагрева металлических наночастиц внутри живых тканей изучены достаточно хорошо, то способы локального измерения температуры («нанотермометрии») такого нагрева оставляли желать лучшего и не годились для применения в медицине, потому что работали только при определенных лабораторных условиях, зачастую неприменимых к живым организмам. Например, некоторые методы применялись только в вакууме, а также были многоэтапными или использовали не биосовместимые материалы. Решить проблему позволил кремний.
Как в Университете ИТМО кремний нагрели
Магистрант Георгий Зограф провел фундаментальное исследование, которое продемонстрировало, что наночастицы кремния тоже можно нагревать и сразу детектировать их температуру. Результаты были подтверждены экспериментально. По словам молодого ученого, это было парадоксальное решение.
«Кремний – это полупроводник, оптические свойства которого в видимом и ИК диапазоне напоминают диэлектрик, то есть потери крайне малы по сравнению с металлами. Принцип его нагрева похож на принцип нагрева в микроволновке, когда вода или другой диэлектрик также нагреваются при поглощении электромагнитных волн в определенном диапазоне частот. Этот же принцип мы перенесли на наномасштаб. Оказалось, что кремниевые наночастицы очень эффективно поглощают ИК-излучение за счет особых свойств их резонансов», – прокомментировал он.
Почему же нагревать наночастицы кремния для борьбы с раком лучше, чем нагревать частицы золота? Кремний обладает оптическим откликом (комбинационным рассеянием), сильно зависящим от температуры окружающей среды. При нагреве частицы меняется и ее оптический отклик, а это уже позволяет ученым локально измерить температуру. Таким образом наночастица кремния стала и нагревателем, и определяющим элементом для замера температуры. Это значит, что ее можно помещать в живую ткань, облучать, сжигать выделяемым теплом опухоль и одновременно с этим динамически контролировать температуру нагрева в естественных условиях.
«Фундаментальные ограничения, наложенные на металлы, не позволяют получать термочувствительный сигнал комбинационного рассеяния от золотых частиц. Уже было известно, что у кремния есть оптический сигнал и что он меняется при вариации температуры. Но до нас никто не рассчитывал, что наночастицу кремния можно использовать и в качестве нагревателя, и нанотермометра», – сказал Георгий Зограф.
Как публиковаться в крутых научных журналах на втором курсе магистратуры
По словам Георгия Зографа, наука – это не когда пару часов в неделю решаешь какую-то задачу, то есть занимаешься исследованиями «набегами». Наука – это когда ты практически непрерывно размышляешь о задаче, которую ты хочешь решить. Даже маленький эксперимент может захватить тебя на целый день или сутки. При этом необходимо постоянно расширять свою базу научных знаний в смежных темах, потому что иногда значимые идеи и открытия происходят на стыке разных научных областей. Именно поэтому для молодых ученых важна поддержка коллег, а также вдохновляющая рабочая атмосфера.
«На последних курсах бакалавриата Политеха у меня преподавали сотрудники кафедры нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО Андрей Богданов и Михаил Петров. Мне очень понравилось, как они преподавали и чем занимались. Они показывали, как не только получать уравнения, но и связывать теорию с практикой, а зачастую и с бытовой жизнью. И сейчас, когда я обучаюсь в Университете ИТМО, они и другие сотрудники кафедры не подходят формально к исследованиям и обучению. Я не стесняюсь подходить к коллегам и своему научному руководителю Сергею Макарову и что-то спрашивать. Они разбираются в вопросах вместе со мной, советуют литературу. Мне нравится, что, хоть я и занимаюсь фундаментальными исследованиями, мои теоретические расчеты тут же отдаются в работу биоинженерам, химикам и другим ученым вуза, которые могут на их основе получать практические результаты и применение теоретическим исследованиям. Это очень мотивирует», – рассказал Георгий Зограф об обучении в первом неклассическом вузе.
Он добавил, что изначально хотел заниматься в магистратуре и теоретическими, и экспериментальными исследованиями. Однако, начав работать в основном над моделированием физических процессов, втянулся в процесс и сейчас нисколько об этом не жалеет. При этом магистрант планирует освоить несколько новых экспериментальных методик уже этим летом, а осенью поступать в аспирантуру Университета ИТМО на двойную программу с частичной научной работой в иностранном вузе-партнере. Благодаря этому удастся перенять лучший опыт иностранных коллег, чтобы затем успешно применять его в России.
«Я не могу сказать со 100%-ой уверенностью, что хочу стать ученым, но пока работа в мире науки меня устраивает. Времени хватает на все: и на исследования, и на досуг. Мне очень интересна научная область, в которой я работаю, и здесь есть конкретные прикладные задачи», – сказал магистрант кафедры нанофотоники и метаматериалов.
