Оттенки белого. Физический эффект подсказал новый метод терапии - Поиск - новости науки и техники
Поиск - новости науки и техники

Оттенки белого. Физический эффект подсказал новый метод терапии

В медицине все большую популярность набирает лазерное лечение кожи. Такая технология используется и при небольших воспалениях, и в случаях, когда появляются злокачественные образования. Как оказалось, эффективность применяемого в таких случаях квантового генератора можно усилить, нанеся на кожу определенные вещества. Этим методом заинтересовалась доцент кафедры общей физики Национального исследовательского Мордовского государственного университета им. Н.П.Огарева, кандидат физико-математических наук Светлана ХРУЩАЛИНА.

Она изучает соединения и ионы редкоземельных элементов, которые существенно улучшают качество лазерного лечения при кожных проблемах. Тему своих исследований молодой ученый выбрала случайно, еще когда училась в университете. Сейчас она планирует доклинические испытания, а в перспективе собирается довести свою разработку до практического применения в медицине. Проект выполняется при поддержке президентского гранта для молодых ученых.

– Будучи студенткой, я занималась исследованием зависимости оптических свойств диэлектрических кристаллов, содержащих редкоземельные ионы, от их структуры, – рассказывает Светлана. – Такие кристаллы могут использоваться, например, в качестве активных сред твердотельных лазеров, а в виде наночастиц – в качестве люминофоров (веществ, способных испускать видимое свечение под действием ультрафиолетового излучения).

Мы с научным руководителем профессором Полиной Ана­тольевной Рябочкиной планировали и дальше развивать эту тему в моей диссертационной работе. И в процессе ее выполнения я обнаружила интересное явление, как выяснилось, не до конца изученное.

В ходе экспериментов в лаборатории оптической спектроскопии лазерных материалов нашего вуза мы воздействовали на наноразмерные диэлектрические кристаллы с редкоземельными ионами (трехвалентные иттербий и эрбий) лазерным излучением с длиной волны 980 нанометров. Излучение волны этой длины хорошо соответствует полосе поглощения таких ионов. И вот однажды мы с коллегами заметили кардинальные различия оптических свойств материала при изменении мощности лазера.

Например, при низкой мощности, точнее, ее плотности (мощности, которая приходится на единицу площади), наблюдали типичную люминесценцию редкоземельных ионов. При повышении плотности мощности излучения в тех же образцах появлялось свечение, по цвету похожее на свет лампы накаливания. Обязательное условие для такого «белого» излучения – также высокая концентрация редкоземельных ионов.

Так как в научной литературе не было единого мнения о природе этого феномена, вопрос о его физических механизмах и стал основанием для выбора темы моего диссертационного исследования. Тогда же возникла идея практического применения явления. Мы подтвердили, что «белое» излучение в наших образцах по своей природе отличается от люминесценции. Как и в случае лампы накаливания, причина его возникновения – нагрев материала до высоких температур – порядка 2200 градусов Цельсия.

В ходе подготовки диссертационной работы я предложила физический механизм нагрева. Он связан с процессами взаимодействия редкоземельных ионов между собой и с кристаллической решеткой, имеющей дефекты. Вследствие этого электроны могут перемещаться из состояний с низкой энергией в высокоэнергетичные (или, если точнее, из валентной зоны в зону проводимости) и взаимодействовать с кристаллической решеткой, что и приводит к локальному повышению температуры наночастиц. Степень проявления нагрева будет зависеть, в частности, от типа материала и редкоземельных ионов.

При исследовании различных соединений мы обнаружили, что ярче всего эффект нагрева проявляется у частиц диоксида циркония, стабилизированного оксидами иттрия и трехвалентными ионами иттербия и эрбия. Особенностью этого материала является наличие большого количества дефектов решетки. Этот материал мы и выбрали для проекта. Важным достоинством наших соединений стала их биоинертность (отсутствие реакции отторжения организмом).

В качестве второго материала для исследований мы использовали частицы ортованадатов иттрия с редкоземельными ионами, поскольку эффект нагрева в них (порядка 1600°С) проявляется почти при тех же показателях плотности мощности лазерного излучения, что и в случае с диоксидом циркония.

Мы хотели сравнить два материала как с точки зрения их оптических свойств, так и по способности нагреваться. Из всех исследованных составов взяли те, для нагрева которых при одинаковом содержании РЗ-ионов (эрбия) требуется наименьшая мощность лазера. Так как я в первую очередь физик, мне было интересно проверить, будет ли это выполняться и для других ионов, то есть стояла задача подтвердить предполагаемый механизм возникновения «белого» свечения.

В рамках проекта мы также работаем с диэлектрическими частицами, содержащими такие редкоземельные ионы, как трехвалентные гольмий и тулий. Частицы с их ионами практически не изучались на предмет возникновения в них «белого» излучения, поэтому они также интересны для подтверждения отмеченного нами механизма. «Белое» свечение в соединениях с ионами иттербия, напротив, наиболее изученное. Кроме того, важным фактором для выбора редкоземельных ионов стало наличие у них полос поглощения как в видимой, так и в ближней инфракрасной области спектра. Это позволит использовать лазерное излучение различных длин волн.

Поскольку «белое» свечение – это следствие повышения температуры наночастиц, то я предположила, что этот нагрев можно применять для практических целей. В то время в лаборатории проводились исследования, связанные с применением лазерного излучения в медицине. На этом фоне возникла идея использовать наши наночастицы в дерматологии – для удаления новообразований с поверхности кожи. Нагрев наночастиц может наблюдаться при относительно низкой мощности лазерного излучения – 1-2 ватта. Если использовать этот эффект для усиления теплового воздействия на биоткань в таком экономном режиме, можно будет снизить стоимость лечебной процедуры.

– Какой резон в нагревании диэлектрических частиц именно лазером?
– Для удаления кожных новообразований сегодня применяются различные методы, в частности, воздействие лазерным излучением и электрическим током (электрокоагуляция). Такие способы приводят к разогреву поверхности и ее разрушению. Для точечной доставки лазерного излучения к тканям используется оптическое волокно. При этом воздействие на нее может проводиться как бесконтактным способом, так и при непосредственном контакте торца волокна с тканью.
Для усиления теплового действия лазерного излучения на биоткань при контактном методе исследователи применяют разные модификации торца волокна. Мы же предлагаем способ усиления теплового эффекта лазерного излучения при бесконтакном методе с помощью нанесения на ткань частиц, способных нагреваться до высоких температур. Модифицировать волокно при этом не надо.

Как я уже сказала, появление «белого» свечения в наночастицах, содержащих редкоземельные ионы, и, соответственно, их нагрев проявляются при увеличении мощности лазерного излучения, попадающего в полосу поглощения редкоземельных ионов. Это происходит из-за усиления нелинейных процессов в материале. Такие процессы способствуют повышению температуры.
Другими словами, под действием несфокусированного излучения мы будем наблюдать люминесценцию, а если сфокусируем излучение той же мощности, то получим «белое» свечение. Таким образом, мы можем использовать относительно низкую мощность лазерного излучения в 1-2 Вт и достигать высокой температуры на поверхности биоткани. А это уже эффективная альтернатива электрокоагуляции.

– Вы уже получили какие-то практические результаты?
– Первый год мы синтезировали частицы и исследовали их свойства. На основании этих данных выберем наиболее подходящие из них, а также параметры воздействия для экспериментов in vivo. Кроме того, были проведены предварительные эксперименты на коже крыс, которые показали, что нанесение наночастиц с редкоземельными ионами приводит к более выраженному термическому повреждению больной ткани под действием лазерного излучения, нежели без покрытия.

– Откуда вы берете необходимый материал и на каком оборудовании работаете?
– Большую часть соединений синтезировал Иван Юрлов, мой соисполнитель по гранту и недавний выпускник аспирантуры. Остальные были получены коллегами из Института общей и неорганической химии им. Н.С.Курнакова РАН под руководством доктора химических наук Анны Владимировны Егорышевой.

В работе используем лазеры, длины волн которых соответствуют поглощению редкоземельных ионов. Для наших ионов это квантовые генераторы, которые генерируют видимое излучение (457 нанометров – это синее излучение, 532 нанометра – зеленое) и невидимое глазом инфракрасное (980 и 1900 нанометров). В качестве рабочего элемента в этих лазерах применяются либо диэлектрический кристалл с редкоземельными ионами, либо полупроводник, либо волокно, мощность варьируется от одного до двух ватт.

– Проводятся ли дальнейшие испытания результатов ваших исследований в клиниках или других институтах?
– Мы тесно сотрудничаем с учеными аграрного факультета и Медицинского института Мордовского госуниверситета. На второй год выполнения проекта запланирована серия экспериментов in vivo на крысах. По их результатам мы с коллегами-медиками сможем оценить степень повреждения кожных покровов животных в зависимости от типа наносимых частиц и мощности лазерного излучения.

Полученные результаты дадут нам возможность сделать вывод об оптимальности параметров воздействия (тип наночастиц, мощность и длина волны лазерного излучения) и дать практические рекомендации по их подбору. Только после этого можно говорить о планах на доклинические исследования. Я уверена, наши результаты будут иметь как фундаментальную, так и практическую ценность. А президентский грант поможет приобрести расходные материалы, необходимые для экспериментов, и представить результаты исследований широкой научной общественности благодаря участию в конференциях международного уровня.

Василий Янчилин

Нет комментариев

Загрузка...
Новости СМИ2