Аннотация результатов, полученных в 2024 году
На первом этапе проекта выполнено исследование механизмов формирования магнитных ядер составов Fe3O4 (FO), MnFe2O4 (MFO) и Ga-Fe-O (GFO) в зависимости от параметров синтеза. В рамках исследования установлено влияние содержания биосовместимых функциоанализирующих агентов, таких как лимонная кислота (СА) и нейромедиатор допамин (DOP), и длительности синтеза на состав, структуру и магнитные свойства коллоидных наночастиц (НЧ) MFO, сформированных in situ микроволновым гидротермальным (МГТ) методом. Показано, успешное формирование инвертированной шпинели магнетита допированный галлием ([Fe2+O]T[〖"Ga" 〗_"x" ^"3+" 〖"Fe" 〗_"y" ^"3+" "O" _"3" ]O) c помощью сольвотермального метода с высокой намагниченностью более 50 эме/г, тогда как гидротермальный подход приводит к формированию не магнитных составов вследствие высокой окислительной активности железа в водной среде. Также установлено влияние соотношения Fe:Ga в реакционном растворе (1:1; 2:1; 2.5:1; 3:1) и температуры прокаливания (500-700℃) на структуру состав и магнитные свойства НЧ GFO. Коллоидные НЧ FO c средним размером 11 нм и намагниченностью более 60 эме/г получены с помощью метода in situ соосаждения с функционализирующими агентами. На следующем этапе реализации проекта разработана технология in situ синтеза на основе микроволнового гидротермального (МГТ) метода, позволяющего получать коллоидные магнитоэлектрические (МЭ) НЧ структуры «ядро-оболочка» с размерами менее 30 нм на основе вышеизложенных ядер с максимально высокими магнитными свойствами и тонкой эпитаксиальной сегнетоэлектрической оболочкой перовскита Ba0,85Ca0,15Zr0,1Ti0,9O3 (BCZT) за несколько часов без проведения дополнительных обработок. Показан гетероэпитаксиальный механизм роста кристаллической оболочки перовскита BCZT, как на ядрах шпинели MFO, так и на ядрах инвертированной шпинели FO. Далее установлено влияние химико-термодинамических условий МГТ синтеза, таких как температура (185-225°С), длительность (1-6 ч.) и содержание щелочи в реакционном растворе (2-10М), на структурно-фазообразование оболочки перовскита BCZT на поверхности ядер шпинели MFO. Показано повышение содержания фазы BCZT относительно магнитной фазы ядра по мере увеличения данных параметров МГТ синтеза. Также выявлено повышение содержания тетрагональной и тригональной фаз и снижение содержания орторомбической фазы в структуре оболочки перовскита BCZT при увеличении длительности, температуры или концентрации щелочи МГТ метода. Для получения стабильных коллоидных растворов МЭ НЧ с высокой дисперсностью в рамках реализации проекта изучали влияние in situ функционализации такими биосовместимыми агентами, как CA и DOP, и пост-функционализации с помощью пектина (PEC). В результате отработана технология получения МЭ НЧ с размерами менее 30 нм и со значительно отличающимся по величине дзета-потенциалами поверхности: -13,1±2 мВ при DOP, -27,1±4 мВ при CA, -35,1±5 мВ при PEC. В свою очередь, такие значительные отличия в величине дзета-потенциала МЭ НЧ сыграли важную роль в in vitro исследовании целевых воздействий на разные фенотипы клеток. Выполнено комплексное и систематическое исследование структуры, включая ее дефектность, химического и молекулярного составов всех разработанных МЭ НЧ, функционализированных разными поверхностными агентами. Показано формирование стехиометрической оболочки BCZT на всех разработанных МЭ НЧ, а также образования ковалентной связи с функционализирующими агентами, как CA и DOP, вследствие хелатирования. При этом, определено снижение микронапряжений в оболочке перовскита BCZT по мере увеличения длительности и температуры in situ МГТ синтеза. В свою очередь, повышение щелочи приводит к вымыванию ионов Ca и Zr из структуры перовскита и, следовательно, увеличению микронапряжений в оболочке МЭ НЧ. Разработанные МЭ НЧ на основе биосовместимых ядер со структурой шпинели или инвертированной шпинели и тонкой (до 5 нм) сегнетоэлектрической оболочкой перовскита BCZT показали самые высокие значения МЭ отклик среди существующих зарубежных аналогов на основе биосовместимых материалов и сопоставимый с потенциально токсичными наноматериалами, содержащими кобальт или никель. Также показаны высокие пьезоэлектрические и магнитные свойства у разработанных МЭ НЧ разных составов. Однако, магнитные свойства МЭ НЧ на основе инвертированной шпинели (магнетите) показали значительно более высокие значения в сравнении с МЭ НЧ на основе обычной шпинели (феррит марганца). Нам удалось показать, что использованные в рамках проекта функционализирующие агенты НЧ способны модулировать биологические эффекты, что является ключевым моментом при разработке интерфейсов МЭ НЧ-клетка. Таким образом, в соответствии с поставленной задачей, возможно подобрать функционализирующий агент, минимизирующий нецелевое воздействие МЭ НЧ на клетку, например, при их использовании для регуляции активности нейронов, или усиливающий терапевтические эффекты МЭ стимуляции, например, при лечении рака и предотвращении его рецидивов. Таким образом, мы показали, что синтезированные МЭ НЧ способны влиять на клеточный метаболизм за счет не инвазивной МЭ стимуляции, и эти эффекты возможно контролировать за счет частоты и амплитуды переменного магнитного поля.