Физики создали магнитное поле, которое помогает прижиться имплантатам

Группа физиков из России при участии швейцарских коллег разработала способ использования терапевтического действия нагрева или охлаждения тканей за счет магнитокалорического эффекта. Статью с результатами своих работ ученые опубликовали в последнем номере журнала International Journal of Refrigeration.

Группа ученых из МГУ имени М.В.Ломоносова предложила новый способ применения магнитокалорического эффекта для адресной доставки лекарств в месте установки имплантата. Один из авторов работы Владимир Зверев (физический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова) утверждает, что аналогов данного метода, использующего отрицательный магнитокалорический эффект, в мире не существует.

Суть магнитокалорического эффекта (МКЭ) сводится к тому, что при воздействии внешнего магнитного поля на магнитный материал температура этого материала изменяется, иногда повышаясь, а иногда, наоборот, падая (в зависимости от материала). Это важное физическое явление было обнаружено еще в позапрошлом веке, хотя как эффект было описано лишь в 1917 году. За прошедшее столетие МКЭ был изучен очень подробно, однако интерес исследователей к нему не только не упал, но, наоборот, резко возрос в последние десятилетия. Это объясняется, во-первых, большим количеством информации о физике магнитных материалов, которую можно из этого эффекта извлечь, и, во-вторых, довольно обширной областью его возможных применений. Его можно с большим успехом применять в физике низких температур, для производства тепловых машин, холодильных установок и пр.

Однако большинство этих применений к коммерческому использованию пока не готово, главным образом, из-за неготовности технологий. Если, например, говорить о бытовых магнитных холодильниках, то, хотя они разрабатываются сегодня многими научно-промышленными лабораториями по всему миру, по словам одного из авторов статьи Владимира Зверева, сотрудника физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова, такие холодильники, если бы их сегодня производили, были бы очень дорогими. 

«Для таких холодильников требуется магнитное поле порядка одного тесла, что при сегодняшних возможностях делает цены на них очень высокими и потому коммерчески неприемлемыми — одно только устройство для генерации такого поля обойдется как минимум в полторы тысячи долларов. Остается ждать, когда они подешевеют», — комментирует Владимир Зверев. 

Однако это не помешало авторам работы предложить новое применение магнитокалорического эффекта, причем практически готовое к массовому использованию, — на этот раз в медицине.

Один из методов, разработанных исследователями, носит название «магнитожидкостная гипотермия» и сводится к нагреву онкологических новообразований специальными магнитными наночастицами, адресно доставляемыми в место опухоли. Для этого исследователями разработана и создана уникальная установка по созданию переменного высокочастотного магнитного поля, которой, как уверяет Владимир Зверев, не существует аналогов в мире. На сегодня с помощью этой установки в Российском научном онкологическом центре им. Н.Н. Блохина проведены первичные исследования клеточных культур различных типов раковых опухолей. Проведены также исследования на мышах, доказавшие биосовместимость и нетоксичность микрочастиц. Ставятся также эксперименты по фармакокинетике микрочастиц, с помощью которых выясняется, как они удерживаются в опухоли, как распространяются в организме кровотоком и т.п. 

Если о возможности подобного использования магнитокалорического эффекта в научной литературе по крайней мере упоминалось — ведь давно известно, что нагрев опухоли может привести к ее деградации, — то вторая методика, предложенная учеными, совершенно уникальна.

Как известно, одной из проблем при имплантации в человеческий организм инородных тел — искусственных суставов, брюшных сеток, стентов пищевода, моче- и желчевыводящих протоков и пр. — является вероятность их отторжения. Авторы статьи предлагают наносить на имплантаты (еще во время их подготовки к установке в организм) специальное покрытие, состоящее из нескольких слоев. Первый слой – магнитный материал, который охлаждается во внешнем магнитном поле (материал с отрицательным магнитокалорическим эффектом). Этот слой может представлять собой тонкую пленку или суспензию из магнитных микрочастиц. Второй слой  - полимерная матрица, в которую, как в губку, помещено лекарственное вещество. Полимерная матрица находится в непосредственном тепловом контакте с магнитокалорическим материалом. Вся эта конструкция во время операции помещается в организм. 

Дело в том, что полимер, используемый в технологиии, при нормальной температуре внутри организма, то есть при температуре выше 37 градусов, похож на желе, которое удерживает внутри себя лекарство. Когда магнитное поле понижает температуру магнитного материала, полимер переходит в жидкообразное состояние и выпускает лекарство в месте установки имплантата. Например, когда после установки имплантата происходит воспаление, неинвазивное приложение внешнего магнитного поля (например, в установке МРТ) позволит выпустить нужную порцию лекарства в течение нужного времени в нужном месте. 

Такой метод «адресной» доставки лекарств, хорош, в частности, уже тем, что он воздействует только на источник воспаления и лишен всякой связи с остальным организмом, то есть уже по определению для него совершенно безвреден. Есть, правда, проблема — пока непонятно, что делать, если лекарство в оболочке закончится.  

Зверев утверждает, что и эта проблема решаема: «Во-первых, — говорит он, — в некоторых случаях необходим только один, «залповый сброс» лекарства, например, необходимого для того, чтобы приклеилась брюшная сетка. А выпуск дозированных порций лекарства можно регулировать, управляя величиной внешнего магнитного поля. Можно также пополнять оболочку новым запасом лекарства, используя то обстоятельство, что лекарство химически может быть соединено с магнитными частицами, которые можно «дотащить» до нужного места в организме внешним магнитным полем. Правда, этот способ мы не разрабатывали, и он находится сейчас только в виде идеи».