Многофункциональные магнитные наноматериалы на основе оксидных систем для применения в биомедицине

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-73-00114

НазваниеМногофункциональные магнитные наноматериалы на основе оксидных систем для применения в биомедицине

Руководитель Щетинин Игорь Викторович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС" , г Москва

Конкурс №79 - Конкурс 2023 года по мероприятию «Проведение исследований на базе существующей научной инфраструктуры мирового уровня» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов

Ключевые слова наночастицы, химический синтез, нанокомпозиционные материалы, высокоэнергетическое измельчение, коэрцитивная сила, остаточная намагниченность, магнитные наночастицы, мультиферроики, гипертермия, магнитомеханическое воздействие, магнито-резонансная томография

Код ГРНТИ29.19.39, 29.19.22, 29.19.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Данный проект направлен на исследования многофункциональных магнитных наноматериалов обладающих широким спектром возможных областей применения таких как препараты для адресной доставки лекарств, магнитной гипертермии, применения в качестве контрастных агентов магнитно-резонансной томографии (МРТ), локальной и адресной лучевой терапии и др. В качестве основы предлагается использовать легированные оксидные системы на основе ферритов (в т.ч. гексаферритов), которые благодаря своей биологической совместимости привлекают всё большее внимание исследователей, разрабатывающих новые высокоэффективные материалы. В проекте предлагается использовать различные химические методы получения легированных наночастиц на основе ферритов для управления комплексом функциональных свойств с целью создания новых природоподобных материалов без которых невозможен переход к новым технологиям, персонализированной медицине, высокотехнологичному здравоохранению и технологиям здоровьясбережения. Для проведения тонких исследований катионного замещения в синтезируемых материалах необходимо применение мощных методов структурного анализа, в частности, методы нейтронной дифракции, которые успешно реализуются на станции нейтронной порошковой дифракции ДИСК исследовательского нейтронного реактора ИР-8 НИЦ КИ.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Б.Д. Чернышев, И.В. Щетинин Исследование возможности получения постоянных магнитов на основе систем Fe-Cr-Co и Fe-Sr-O Электронная техника. СВЧ-техника., Электронная техника. СВЧ-техника. - 2023. - №3. - С. 24-33 (год публикации - 2023)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В результате выполнения Проекта в 2024 г получены следующие результаты: 1. Модифицирована методика механохимического синтеза наночастиц в процессе мокрого высокоэнергетического измельчения металлов с перекисью водорода, позволяющая избавиться от присутствия остаточных металлов и получать наночастицы ферритов различного состава. 2. Предложен масштабируемый двухстадийный метод получения наночастиц ферритов для использования в биомедицине. Подобраны условия для получения наночастиц на основе магнетита, выбраны методы модификации поверхности и стабилизации наночастиц. Показано, что синтезированные наночастицы могут обладать мощность собственных потерь на уровне 1140 Вт/г, что представляет собой высокие значения и редко встречается в литературе. Показано, что удельная мощность потерь полностью определяется зависимостью коэрцитивной силы и, в основном, связана с потерями на перемагничивание. Одновременно серии наночастиц показали хорошие значения t2-релаксивности на уровне 300 мМ-1с-1, что значительно выше значений коммерческих препаратов. Полученные наночастицы Fe3O4 в среде октадецена с олеиновой кислотой не обладали явным токсическим действием на линии клеток PC-3 и могут быть использованы в биомедицинских целях. 3. По результатам синтеза образцов тройной системы (Fe3-х, Rх)O4, где R = Sm/Gd, а х = 0; 0,05; 0,08; 0,1; 0,2; 0,3; 0,5 проведено исследование функциональных свойств: релаксивности, цитотоксичночти, эффекта гипертермии. В результате установлено, что образцы обладают высокими значениями t1-релаксивности на уровне 7 мМ-1с-1, что примерно в два раза больше, чем у агента Gd-DTPA, но при одновременном высоком значении t2-релаксивности от 200 до 350 мМ-1с-1. Полученные значения позволяют говорить, что получены новые композиционные материалы. Значения собственных потерь на синтезированных образцах зависит от х и несколько снижается при увеличении х за счет снижения доли магнитной фазы, цитотоксичность образцов с x < 0.1 находится на уровне, как и для наночастиц магнетита. При увеличении x > 0.1 наблюдается более выраженное токсическое действие наночастиц на раковые клетки линии PC-3. Проведены исследования исследования катионного распределения образцов тройной системы (Fe3-х, Rх)O4, где R = Gd, а х = 0,05; 0,08 методами нейтронной дифракции с применением ОИ. 4. По результатам работ в 2024 году опубликовано/подготовлено 4 статьи: Stanislav V. Seleznev, Igor G. Bordyuzhin, Timur R. Nizamov, Vladislav A. Mikheev, Maxim A. Abakumov, Igor V. Shchetinin. Structure, magnetic properties and hyperthermia of Fe3-xCoxO4 nanoparticles obtained by wet high-energy ball milling. Inorganic Chemistry Communications. Volume 167, September 2024, 112679. DOI: 10.1016/j.inoche.2024.112679, (Q1); Mikheev, V.A.; Bordyuzhin, I.G.; Gorshenkov, M.V.; Savchenko, E.S.; Dorofievich, I.V.; Shchetinin, I.V. The Structure and Magnetic Properties of Sm2Fe17Cx Compounds Prepared from Ball-Milled Mixtures of Sm2Fe17 and Carbon Nanotubes or Graphite. Metals 2024, 14, 472. DOI: 10.3390/met14040472 (Q1); Mikheev, V.A.; Nizamov, T.R.; Nikolenko, P.I.; Ivanova, A.V.; Novikov, A.I.; Dorofievich, I.V.; Lileev, A.S.; Abakumov, M.A.; Shchetinin, I.V. The Influence of Milling Conditions on the Structure and Properties of Fe3O4 Nanoparticles for Biomedical Applications. Crystals 2024, 14, 1028. https://doi.org/10.3390/cryst14121028, Q2; А.Д. Ковалев, П.И. Николенко, Т.Р. Низамов, А.И. Новиков, М.А. Абакумов, М.А. Сёмкин, П.А. Борисова, C.C. Агафонов, В.В. Попов, И.В. Щетинин. Структура, магнитные свойства и гипертермия наночастиц CoxFe3–xO4, полученных методом высокоэнергетического измельчения. Российские нанотехнологии (принята в печать). 5. Результаты исследований доложены на двух конференциях: I Всероссийской научно-технической конференции «Постоянные магниты: Наука и технологии. Производство. Применение», 25 — 27 сентября 2024 года, СК «Суздаль Арена» (г. Суздаль, Владимирская область); Курчатовском форуме «Исследования с применением синхротронного излучения, нейтронов и электронов» (Курчатов ФСНЭ 2024), 21 по 23 октября 2024, Москва. 6. Полученные результаты РСА, ПЭМ и нейтронной дифракции использованы для обновления читаемых курсов на кафедре физического материаловедения для магистров: «Дифракционные и микроскопические методы исследований», «Структурные методы исследования»; аспирантов: «Современные структурные методы исследования».

Публикации

1. Михеев В.А., Низамов Т.Р., Николенко П.И., Иванова А.В, Новиков А.И., Дорофиевич И.В., Лилеев А.С., Абакумов М.А., Щетинин И.В. The Influence of Milling Conditions on the Structure and Properties of Fe3O4 Nanoparticles for Biomedical Applications Crystals, Crystals 2024, 14(12), 1028 (год публикации - 2024)

2. А. Д. Ковалев, П.И. Николенко, Т. Р. Низамов, А. И. Новиков, М. А. Абакумов, М. А. Сёмкин, П. А. Борисова, C.C. Агафонов, В.В. Попов, И. В. Щетинин Структура, магнитные свойства и гипертермия наночастиц CoxFe3–xO4, полученных методом высокоэнергетического измельчения Российские нантехнологии, Москва (год публикации - 2025)

3. Селезнев С.В., Бордюжин И.Г., Низамов Т.Р., Михеев В.А., Абакумов М.А., Щетинин И.В. Structure, magnetic properties and hyperthermia of Fe3-xCoxO4 nanoparticles obtained by wet high-energy ball milling Inorganic Chemistry Communications, Inorganic Chemistry Communications, Volume 167, September 2024, 112679 (год публикации - 2024)
10.1016/j.inoche.2024.112679

4. Михеев В.А., Бордюжин И.Г., Горшенков М.В., Савченко Е.С., Дорофиевич И.В., Щетинин И.В. The Structure and Magnetic Properties of Sm2Fe17Cx Compounds Prepared from Ball-Milled Mixtures of Sm2Fe17 and Carbon Nanotubes or Graphite Metals, 2024, 14(4), 472 (год публикации - 2024)
10.3390/met14040472

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках третьего этапа проекта по созданию многофункциональных магнитных наноматериалов для биомедицины проведены комплексные теоретические и экспериментальные исследования в двух ключевых направлениях: разработка гибридных наночастиц на основе ферритов с оксидами редкоземельных металлов в качестве двойных контрастных агентов для МРТ и создание агентов для магнитной гипертермии на базе гексаферритов с управляемыми свойствами. 1. Создание и исследование гибридных наноматериалов для магнитно-резонансной томографии. Коллективом ученых синтезирована и всесторонне изучена серия комплексно-легированных ферритов состава ZnхCrхCo0,5-хFe2,5-хO4. С помощью комплекса методов, включая дифракцию нейтронов на установке НИЦ «Курчатовский институт», было определено катионное распределение в решетке. Установлено, что ионы цинка предпочтительно занимают тетраэдрические позиции, а хрома – октаэдрические, что позволило объяснить сочетание высокой намагниченности насыщения (до 91 А·м²/кг) и низкой коэрцитивной силы (до 7 кА/м) в этих материалах. На основе наиболее перспективных ферритов разработан метод получения гибридных наночастиц «феррит-оксид гадолиния» с использованием высокоэнергетического шарового измельчения. Было доказано, что такие гибриды проявляют высокую эффективность в качестве «отрицательного» (T2) контрастного агента для МРТ, сопоставимую с коммерческими препаратами. В то же время, выявлены факторы, ограничивающие их «положительный» (T1) контраст, что определило пути дальнейшей оптимизации — необходимость уменьшения размера частиц оксида гадолиния и модификации поверхностного покрытия. 2. Теоретический дизайн и экспериментальная реализация гексаферритов для терапии рака. Проведено масштабное компьютерное моделирование, позволившее спрогнозировать поведение различных элементов (алюминий, галлий, индий, цирконий, редкоземельные металлы) в структуре гексаферрита стронция. Расчеты выявили, что для снижения поля анизотропии материала, критически важной для его применения в гипертермии, наиболее эффективно легирование индием и цирконием. Эти прогнозы были подтверждены экспериментально. Синтезированы наночастицы SrFe12-хInхO19, которые продемонстрировали не только низкую коэрцитивную силу, но и уникальное свойство саморегуляции температуры в терапевтическом диапазоне 43–52°С при воздействии переменного магнитного поля. Это означает, что такие частицы принципиально не могут перегреть здоровые ткани. Биологические тесты подтвердили их низкую токсичность. 3. Важное открытие в области физики магнитных материалов. В ходе исследования цирконий-легированных гексаферритов был открыт новый физический эффект — магнитное твердение за счет дисперсионного упрочнения. Установлено, что низкотемпературный отжиг приводит к выделению наночастиц оксида циркония внутри ферритной матрицы, что повышает коэрцитивную силу материала на 16%. Это открытие имеет большое прикладное значение не только для биомедицины, но и для технологии производства постоянных магнитов.

Публикации

1. Влияние легирования на структуру и функциональные свойства наночастиц гексаферрита SrFe12-xInxO19 для биомедицинских применений Effect of Doping on Structure and Functional Properties of SrFe12-xInxO19 Hexaferrite Nanoparticles for Biomedical Applications Ceramics International, In Press, Journal Pre-proof (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2025.12.141

2. Формирование микроструктуры и свойств магнитов из гексаферрита стронция методом литья под давлением порошка Formation of the microstructure and properties of strontium hexaferrite magnets using powder injection molding Tonkie Khimicheskie Tekhnologii, Tonkie Khimicheskie Tekhnologii = Fine Chemical Technologies. 2025;20(3):264–275 (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.32362/2410-6593-2025-20-3-264-275

3. Влияние магнитного твердения на гексагональные ферриты SrFe12-xZrxO19 Effect of magnetic hardening in hexagonal ferrites SrFe12-xZrxO19 Materials Letters, Materials Letters, Volume 401, 15 December 2025, 139228 (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.1016/j.matlet.2025.139228

4. В. А. Михеев, Е. С. Савченко, Е. В. Аргунов, А. И. Новиков, И. В. Щетинин The Formation of the Structure and Magnetic Properties of Sm2Fe17Cx Powders with Zn Additives Obtained by Mechanosynthesis Физика твердого тела, 2025, том 67, выпуск 6, страницы 1060–1064, Physics of the Solid State, 2025, Vol. 67, No. 6 (год публикации - 2025)
https://doi.org/10.61011/FTT.2025.06.60956.15HH-25

5. Николенко П.И., Щетинин И.В. СТРУКТУРА И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА CA-ЛЕГИРОВАННОГО ГЕКСАФЕРРИТА СТРОНЦИЯ ДЛЯ БИОМЕДИЦИНСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ ЛАЗЕРНЫЕ, ПЛАЗМЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ - ЛАПЛАЗ-2025 Сборник научных трудов XI Международной конференции. Москва, 2025 Издательство: Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва, ЛАЗЕРНЫЕ, ПЛАЗМЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ - ЛАПЛАЗ-2025 Москва, 29–31 января 2025 года Организаторы: Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва (год публикации - 2025)

6. ЩЕТИНИН И.В., НИЗАМОВ Т.Р., НОВИКОВ А.И., ИВАНОВА А.В., КАРЦЕВ А.И., АБАКУМОВ М.А., ЛИЛИЕВ А.С. EFFECT OF DOPING ON STRUCTURE AND FUNCTIONAL PROPERTIES OF SRFE12-XINXO19 HEXAFERRITE NANOPARTICLES FOR BIOMEDICAL APPLICATIONS ADVANCED MULTICOMPONENT ("HIGH-ENTROPY") MATERIALS Abstracts of the VII International School-Conference dedicated to the 100th anniversary of Yuri Aleksandrovich Skakov. 2025 Издательство: LLC "Epicenter", Belgorod, ADVANCED MULTICOMPONENT ("HIGH-ENTROPY") MATERIALS Abstracts of the VII International School-Conference dedicated to the 100th anniversary of Yuri Aleksandrovich Skakov. 2025 Издательство: LLC "Epicenter", Belgorod (год публикации - 2025)

7. КОВАЛЕВ А.Д., НИЗАМОВ Т.Р., ЩЕТИНИН И.В. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЦИНКА И ХРОМА НА СТРУКТУРУ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА ЛЕГИРОВАННЫХ ФЕРРИТОВ ДЛЯ БИОМЕДИЦИНСКИХ ПРИМЕНЕНИЙ БИОМАТЕРИАЛЫ: ОТ ИССЛЕДОВАНИЙ К ПРАКТИКЕ Сборник материалов Международной конференции. Москва, 2025 Издательство: Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, Москва, БИОМАТЕРИАЛЫ: ОТ ИССЛЕДОВАНИЙ К ПРАКТИКЕ Сборник материалов Международной конференции. Москва, 2025 Издательство: Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, Москва Страницы: 140-141 (год публикации - 2025)