Физики из МГУ и химики из Сколтеха синтезировали и исследовали наночастицы, способные улучшить контраст МРТ
Физики из Московского государственного университета и химики из Сколковского института науки и технологий синтезировали наночастицы маггемита с целью улучшения контраста в магнитно-резонансной томографии (МРТ). Результаты данного исследования опубликованы в журнале Q2 Journal of Magnetism and Magnetic Materials.
Магнитно-резонансная томография основана на ядерном магнитном резонансе водорода (то есть протонов). Исследуемый организм помещается во внешнее магнитное поле с большой индукцией (порядка нескольких Тесла), что позволяет ориентировать магнитные моменты протонов в одном направлении. Затем подается радиосигнал, анализируются релаксационные свойства возбужденных протонов. Характер прецессии магнитных моментов протонов связан с их локальным окружением — ткани и вещества, окружающие исследуемые протоны, влияют на частоту их прецессии. Добавляя в окружение магнитные частицы, можно повлиять на частоту прецессии протонов в отдельных областях, что приводит к улучшению контраста изображения при сканировании. От магнитных свойств частиц будут зависеть контрастные свойства в различных режимах съемки МРТ-контраста.
«Основная проблема области состоит в том, что многие сплавы и соединения, пригодные для улучшения контраста, не являются биосовместимыми. Возможных вариантов немного — на основе рекомендаций ВОЗ, в организм можно безопасно вводить наночастицы оксида железа, кремния или золота», — рассказал сотрудник кафедры магнетизма к.ф.-м.н. Алексей Степанович Комлев.
Наночастицы, исследуемые в статье, состояли из оксида железа. Ученые из Сколковского института синтезировали частицы с диаметрами 3.5, 6, 9 и 12 нм, при этом распределение по диаметрам оказалось достаточно узким, а форма частиц близкой к сферической. Структурные данные были получены с помощью рентгеновской дифрактометрии, которую сделали на физическом факультете, а также с помощью электронной микроскопии, подтвердили высокое качество частиц.
Важно было также определить точный элементный состав частиц, так как существуют нескольких стабильных оксидов железа (Fe3O4 и Fe2O3), поскольку степень окисления железа важна для функционирования частиц. Для того, чтобы это понять, была проведена рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) и измерение Мёссбауэровских спектров на кафедре магнетизма. Данная информация позволила определить валентность железа в этих наночастицах — оказалось, что синтезируемые объекты доокислились до маггемита (Fe2O3).
Затем ученые физического факультета исследовали магнитные свойства наночастиц, включая полевые зависимости намагниченности, что позволило оценить их намагниченность насыщения и тип магнитного упорядочения. Кроме того, были измерены времена релаксации (T1 и T2), которые непосредственно связаны с контрастом в МРТ. В результате была выявлена связь между структурными, магнитными и МРТ-контрастными свойствами частиц. Наночастицы маггемита размером 3.5 нм продемонстрировали лучшее время T1 релаксации по сравнению с коммерчески используемыми контрастными средствами на основе гадолиния и зарекомендовали себя для дальнейшего внедрения в качестве МРТ контрастных агентов.
Исследования выполнены при финансировании Министерства образования и науки, грант №075-15-2021-1353.