Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Проект нацелен на разработку физической технологии получения стабильных коллоидных растворов сверхчистых биосовместимых плазмонных наночастиц нитрида титана (НЧ TiN) методами фемтосекундной (фс) лазерной абляции в жидкости для применений, в первую очередь, в медицине в качестве сенсибилизаторов фототермической терапии (ФТТ). ФТТ, являясь инновационным методом лечения онкологических заболеваний, основана на селективном нагреве внешним световым воздействием НЧ, локализованных в раковой опухоли. Такие "нано нагреватели" убивают близлежащие раковые клетки и могут стимулировать противораковый иммунный отклик организма. Более того, ФТТ естественным образом дополняется методом фотоакустической визуализации (ФАВ), что позволяет одновременно визуализировать опухоль и отслеживать терапевтический результат. Работы в рамках первого года реализации проекта были направлены на детальное изучение результатов формирования коллоидных растворов НЧ TiN методом фс лазерной абляции в воде и органических растворителях, а также включали проведение систематического изучения фототермических свойств НЧ в зависимости от параметров синтеза. Основной целью этих работ было выявление условий синтеза, позволяющих получать стабильные коллоидные растворы НЧ TiN, обладающих оптимальной комбинацией свойств для перспективного применения в ФТТ и ФАВ. Для достижения поставленных целей были проведены следующие основные работы: 1. Проведено исследование влияния жидкостей с различным содержанием кислорода и азота на свойства получаемых коллоидных растворов НЧ TiN. 2. Проведено исследование влияния растворённого газообразного кислорода на свойства получаемых коллоидных растворов НЧ. 3. Изучено влияние параметров фокусировки на эффективность лазерно-абляционного синтеза для разных типов жидких сред. 4. Проведено исследование влияния энергии лазерных импульсов на размер получаемых НЧ. 5. Изучено влияние параметров развертки (сканирования поверхности) лазерным лучом поверхности мишени. Работы, проведенные в рамках этого пункта, были направлены на нахождение конкретных параметров развертки, позволяющих избежать влияния кавитационных пузырей на эффективность лазерно-абляционного синтеза. 6. Исследована зависимость эффективности абляционного процесса от частоты повторений лазерных импульсов и длительности проведения абляционного синтеза в геометрии непроточной ячейки. Для НЧ, полученных в ходе описанных выше работ, были измерены спектры оптической экстинкции и проведено исследование эффективности нагрева полученных растворов НЧ TiN излучением в окне прозрачности биологических тканей в зависимости от размера этих НЧ, мощности возбуждающего излучения и типа жидкости, в которой НЧ были синтезированы. Все полученные данные были проанализированы и определены условия синтеза, позволяющие получать стабильные коллоидные растворы НЧ TiN с максимальным массовым коэффициентом фототермической конверсии в окне прозрачности биологических тканей. Эти условия синтеза будут использоваться для наработки НЧ TiN во время выполнения второго этапа работ по проекту. Проведено сравнение полученных НЧ TiN с другими типами НЧ, предлагаемых в настоящее время для использования в качестве сенсибилизаторов ФТТ. В ходе выполнения работ по проекту в течение первого этапа были получены следующие основные результаты. 1. Установлено, что порог абляции мишени TiN для используемого излучения (1030 нм, 270 фс) составляет 0,1 Дж/см^2. 2. Установлено, что спрессованные (давления прессования до 0,5*10^9 Па) без спекания микропорошки TiN не могут быть использованы в качестве мишеней для лазерно-абляционного синтеза. При этом коммерчески доступные мишени TiN (мишени для магнетронного распыления) хорошо подходят для проведения лазерно-абляционного синтеза. 3. Проведённое систематическое исследование зависимости физико-химических свойств НЧ TiN от параметров лазерного синтеза дало следующие основные результаты: 3.1. При всех параметрах лазерного синтеза получаемые НЧ TiN имеют сферическую форму. 3.2. Тип жидкой среды, в которой производится лазерная абляция, имеет наибольшее влияние на свойства получаемых НЧ. Изменение жидкости приводит к формированию НЧ с различными средними размерами (от 35 нм – диметилформамид до 100 нм – перекись водорода) и химическим составом. Изменение содержания кислорода в составе молекул жидкости и виде растворённого молекулярного газа позволяет контролировать степень окисления получаемых НЧ. Максимальная разница (16-кратная) в отношении содержания кислорода к азоту в составе НЧ наблюдается между частицами, синтезированными в перекиси водорода и гексане с удалённым газообразным кислородом. Такое изменение химического состава оказывает сильное влияние на плазмонные свойства получаемых НЧ. Увеличение содержания кислорода в составе НЧ приводит к значительному ослаблению оптической экстинкции в видимом и ИК диапазонах. Еще одним важным параметром, на который влияет тип жидкой среды и содержание в ней растворённого газообразного кислорода, оказалась коллоидная стабильность получаемых растворов. Удалось выявить тенденцию к увеличению коллоидной стабильности получаемых растворов с увеличением количества кислорода в жидкой среде. 3.3. Дзета-потенциал НЧ TiN, синтезированных в воде составил -30 мВ. Не было выявлено зависимости значения дзета-потенциала от параметров синтеза или размеров получаемых НЧ. 3.4. Параметры фокусировки, позволяющие достичь максимальной производительности лазерно-абляционного синтеза, не являются универсальными, а зависят от типа жидкой среды, в которой производится абляция. 3.5. Увеличение энергии лазерных импульсов приводит к увеличению среднего размера получаемых НЧ. В частности, для ацетона повышение энергии лазерных импульсов от 10 до 100 мкДж увеличивает их средний размер от 25 до 40 нм. 3.6. Увеличение частоты повторения лазерных импульсов приводит к увеличению производительности лазерного синтеза, но не влияет на свойства получаемых НЧ TiN. 3.7. Увеличение скорости развертки лазерного излучения по поверхности мишени позволяет увеличить производительность лазерно-абляционного синтеза не во всём диапазоне изменений скорости, а лишь в ограниченном интервале изменений. После достижения определённой «скорости насыщения» дальнейшее увеличение этой скорости не приводит к увеличению производительности синтеза. 4. Установлено, что наибольшим коэффициентом оптической экстинкции обладают НЧ, полученные лазерной абляцией мишени TiN в изопропаноле. Значение максимизированного коэффициента оптической экстинкции НЧ TiN составляет 78,1 Л/(г*см) на длине волны 688 нм. Анализ современной научной литературы указывает на то, что полученное значение является одним из самых больших (уступает только углеродным нанотрубкам) среди всех типов наноматериалов, тестируемых в качестве сенсибилизаторов фотогипертермии в окне прозрачности биологических тканей. 5. Установлено, что скорость нагрева коллоидных растворов НЧ и максимально достижимая температура уменьшаются с увеличением размера НЧ, что обусловлено увеличением вклада рассеяния в оптическую экстинкцию при увеличении размера. Таким образом, наиболее эффективными с точки зрения фотонагрева являются НЧ с размером менее 50 нм. Скорость нагрева линейно зависит как от мощности возбуждения (до 1 Вт), так и от концентрации НЧ (во всём диапазоне концентраций вплоть до 100 мкг/мл). При этом начальная скорость нагрева при концентрации 3,86 мкг/мл и мощности возбуждения 1 Вт составляет 0,036 °С/с, а максимальное повышение температуры составляет 9 °С.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Проект нацелен на разработку физической технологии получения стабильных коллоидных растворов сверхчистых биосовместимых наночастиц нитрида титана (НЧ TiN) методами фемтосекундной (фс) лазерной абляции в жидкости для применений, в первую очередь, в биомедицине в качестве сенсибилизаторов фототермической терапии (ФТТ). ФТТ основана на селективном нагреве внешним световым воздействием НЧ, локализованных в раковой опухоли. Такие "нано нагреватели" убивают близлежащие раковые клетки и могут стимулировать противораковый иммунный отклик организма. Более того, ФТТ естественным образом дополняется методом фотоакустической визуализации (ФАВ), что позволяет одновременно визуализировать опухоль и осуществлять терапевтическое воздействие. Работы в рамках второго этапа (года) реализации проекта были направлены на построение численной модели для расчета распределения температуры внутри биологической ткани, содержащей НЧ TiN, при её облучении ИК излучением, а также на экспериментальную верификацию результатов моделирования. Параллельным направлением исследований была разработка экспериментальной установки для ФАВ НЧ TiN внутри биологической ткани. В качестве НЧ – сенсибилизаторов ФТТ были использованы НЧ TiN с оптическими параметрами, оптимизированными на максимум поглощения в окне относительной прозрачности биологических тканей (650–900 нм) в ходе первого этапа работ по проекту. Основной целью работ второго этапа было численное и экспериментальное исследование фототермических эффектов НЧ TiN внутри биологической ткани. Экспериментальное исследование ФТТ проводилось с использованием гелевого тканеэквивалентного фантома на основе полиакриламида (ПАА) с добавлением нафтола зелёного в качестве оптического поглотителя и интралипида в качестве рассеивателя. Основные проведённые работы и полученные результаты за время выполнения второго этапа проекта: 1. Составлена численная физическая модель для расчёта временной зависимости пространственного распределения температуры внутри биологической ткани, содержащей НЧ TiN, при ИК ФТТ. Модель реализована на языке Python и состоит из двух базовых модулей. Первый модуль вычисляет распределение поглощённого света методом Монте-Карло. Второй модуль вычисляет изменение во времени пространственного распределения температуры внутри области моделирования. Модель позволяет независимо варьировать оптические и тепловые свойства моделируемой биологической среды и НЧ, задавать различные пространственные распределения НЧ, изменять параметры излучения. Исходный код разработанной модели и дополнительных модулей визуализации результатов, а также подробное описание работы с моделью, её параметров и инструкция по запуску размещены в открытом доступе по адресу https://github.com/Kaldarinz/Tissue-photo-heating-with-NPs. Разработанная модель была использована для исследования величины поглощённой дозы ИК излучения и распределения температуры внутри биологической ткани при ФТТ. 2. Для проведения экспериментов были наработаны НЧ TiN с оптимизированными параметрами, определёнными в ходе первого этапа работ по проекту. Синтез был осуществлён методом фс лазерной абляции в изопропаноле. В результате были получены сферические НЧ TiN со средним размером 50 нм, обладающие широким пиком оптического поглощения с максимумом около 650 нм и широким плечом в ИК область. Коэффициент поглощения на длине волны 830 нм составил 60 Л/(г*см). 3. Создан прототип ФА детектора для детектирования НЧ TiN внутри биологических тканей. ФА отклик возбуждался с помощью сфокусированного ИК лазерного излучения (1064 нм, 20 нс, 0,1 мДж, 10 Гц), а детектировался с помощью широкополосного (15 МГц) иммерсионного УЗ пьезотрансдьюсера. Для управления экспериментальной установкой была разработана управляющая программа на языке G (LabView), позволяющая управлять параметрами сканирования и визуализировать распределения НЧ внутри фантома. Была осуществлена визуализация НЧ TiN внутри тканеэквивалентных фантомов при различной глубине залегания области, содержащей НЧ, под облучаемой поверхностью фантома (от 3 до 15 мм), а также при различной концентрации НЧ TiN (от 0,01 г/л до 0,2 г/л) внутри этой области. Экспериментально показана возможность получения контрастных ФА изображений НЧ TiN, расположенных на глубинах до 15 мм под облучаемой поверхностью. Также показано, что НЧ TiN способны генерировать высококонтрастный ФА сигнал в малых концентрациях. В частности, при расположении НЧ TiN (0,2 мг.мл) на глубине 5 мм под облучаемой (0,3 Дж/см2) поверхностью амплитуда ФА сигнала НЧ TiN более чем в 10 раз превышала амплитуду фонового сигнала оптического фантома. Разрешение (длина, на которой перепад амплитуды ФА сигнала составлял более 80%) полученного ФА изображения при такой глубине залегания НЧ составила 300 мкм. 4. Проведены эксперименты по ФТТ с использованием ПАА фантомов. Было использовано 2 способа измерения температуры: с помощью термочувствительных зондов и с использованием тепловизора. В качестве источника излучения был использован непрерывный лазерный диод (830 нм, 900 мВт). В результате проведённых экспериментов были выявлены следующие основные тенденции: НЧ TiN даже в малых концентрациях (10–30 мкг/г) на глубинах до 10 мм под облучаемой поверхностью значительно (на 80–400% по сравнению с температурой нагрева фантома, не содержащего НЧ TiN) увеличивают температуру внутри фантома. При этом наибольшее относительное повышение температуры наблюдается на глубинах залегания НЧ, и глубже на 3–5 мм. При увеличении коэффициента поглощения ткани сокращается максимальная глубина, на которой НЧ могут выступать в роли эффективных сенсибилизаторов ФТТ. Причём эта глубина практически не зависит от концентрации НЧ и составляет 5-13 мм при коэф. поглощения ткани 0,7-0,3 см-1. 5. Проведена оптимизация параметров численной модели, направленная на согласование результатов моделирования с экспериментальными данными. Для этого параметры численной модели оптимизировались таким образом, чтобы результаты моделирования измерения температуры в 3 различных точках фантома совпадали с экспериментальными данными. Затем производился расчёт с новой пространственной конфигурацией НЧ. Полученные расчётные данные сравнивались с новыми экспериментальными измерениями температуры фантома. Оптимизация параметров считалась законченной при совпадении расчётных и экспериментальными данных (с точностью до 1 градуса в каждый момент времени) в 3 различных точках в течение всего цикла нагрева-остывания (10 минут). Полученные результаты показали высокое соответствие расчётов экспериментальным данным. 6. Анализ полученных результатов показал, что НЧ TiN в концентрациях, релевантных уровням накопления НЧ в опухоли простаты человека при системном введении и пассивной доставке (Rastinehad et al., PNAS, 116, 2019, 18590–18596), способны значительно (более чем на 20% излученной дозы) повышать поглощенную дозу ИК излучения, находясь внутри биологической ткани на расстояниях до 17 мм от облучаемой поверхности. При этом экспериментально показано увеличение температуры на 5 градусов на глубинах до 13 мм при концентрации НЧ TiN 10 мкг/г и мощности излучения в 0,9 Вт. Эти результаты превышают описанные в литературе данные для альтернативных НЧ, используемых в настоящее время для ФТТ. С учётом того, что технологию ФТТ для лечения рака простаты целесообразно применять при размерах опухоли, не превышающих 1 см3, можно сделать вывод, что ФТТ с использованием НЧ TiN потенциально позволяет воздействовать сразу на весь объём опухоли, тогда как тестируемые в настоящий момент в клинической практике НЧ требуют множественных облучений для покрытия всего объёма опухоли. Таким образом, полученные в ходе реализации проекта результаты подтверждают высокую перспективность НЧ TiN для использования в качестве сенсибилизаторов ФТТ. Кроме того, нами недавно была показана высокая биосовместимость лазерно-синтезированных НЧ TiN in vitro и in vivo (Zelepukin et al., Mater. Sci. Eng. C, 2021, 120, 111717), что дополнительно подтверждает перспективность выбранного подхода.