В современном мире лазеры перестали ассоциироваться с научной фантастикой или устройствами для чтения дисков. Лазеры применяются в промышленности, науке, медицине. В лаборатории Бионанофотоники МИФИ ученые с помощью лазера конструируют наноматериалы и композиты. Зачем это нужно и как нанотехнологии спасут жизни людей, мы поговорили с инженером лаборатории, представителем научной группы Артемом Лактионовым.
Интервью взято для рубрики "Голос науки"
– Артем, вы заинтересовались свойствами лазеров во время учебы в МИФИ?
– Я с отличием окончил магистратуру НИЯУ МИФИ по специальности «Перспективные полупроводниковые лазеры и технологии» на кафедре квантовой электроники и биофотоники. И увлечение лазерами стало логичным продолжением моего предыдущего опыта (на бакалавриате я обучался по специальности «Физика конденсированного состояния»), современная лазерная техника требует глубокого понимания свойств материалов. Но, подчеркну, все достижения, о которых мы будем говорить, – коллективный труд. В нашей области необходима мультинаправленность навыков и знаний, поэтому в команде работают физики, химики и программисты. У каждого из нас свои задачи, и успех складывается из общих усилий.
– Ваша лаборатория занимается лазерным синтезом. Можете простыми словами объяснить, что вы делаете и для чего?
– Звучит действительно сложно, но суть довольно проста и элегантна. Мы берем обычный материал, например, кусочек металла или химическое соединение и воздействуем на него мощным лазером ультракороткими фемтосекундными импульсами. Выбор материала всегда зависит от задачи. В работе мы используем твердотельные мишени высокой чистоты или субмикронные порошки. Наиболее часто в ход идут золото, серебро, нитриды и оксиды титана и гафния. Также активно применяются железо, никель, медь, тантал, молибден, гадолиний, церий, кремний и цинк. Метод позволяет работать с колоссальным разнообразием материалов!
Под действием лазера материал превращается в пар или плазму, а затем конденсируется в наночастицы. Это как если бы мы «выпаривали» кирпич, чтобы потом построить из его атомов микроскопический дом. Главное преимущество нашего метода в том, что мы можем создавать очень чистые и стабильные наночастицы со строго заданными свойствами, которыми затем можно управлять с помощью внешних полей или света.
– И где же эти «микроскопические дома» могут пригодиться?
– Одно из магистральных направлений нашей работы – медицина. Онкологическое заболевание на ранней стадии почти невозможно увидеть на стандартном снимке МРТ или КТ – контраст между больными и здоровыми тканями слишком мал. Мы разрабатываем особые наночастицы, которые могут стать «супер-контрастом». Если ввести их в организм, они накапливаются именно в опухоли, и на снимке она начинает светиться, как маяк. Это позволяет диагностировать рак на самых ранних стадиях.
– То есть наночастицы, полученные с помощью лазера, позволяют повысить точность диагностики?
– Именно так. Но это только первый шаг. Те же самые частицы могут работать как «троянский конь» для лечения онкологических заболеваний. В лучевой терапии важно уничтожить раковые клетки, не задев здоровые. Поэтому мы также создаем радиосенсибилизаторы – наночастицы, которые, накапливаясь в опухоли, делают ее в разы более чувствительной к облучению. Здоровые ткани остаются в безопасности, а дозу облучения для пациента можно снизить.
Мы работаем над тем, чтобы сделать лечение более адресным. Это принцип «умной пули», которая сама находит цель. Кроме того, мы смотрим и в сторону регенеративной медицины. Наши частицы могут стимулировать заживление ран и бороться с бактериями, что критически важно, например, при лечении ожогов или сложных послеоперационных осложнений.
Второе большое направление для применения наночастиц – энергетика и «зеленая» химия. Здесь наши наночастицы выступают в роли катализаторов, веществ, которые ускоряют химические реакции. Применяя наши наноматериалы, созданные лазерным синтезом, можно повысить эффективность химических реакций в разы.
– А когда эти технологии появятся в реальной поликлинике или на реальной электростанции?
– У нас в лаборатории уже сегодня есть целый ряд материалов, которые прошли или находятся на стадии прохождения доклинических испытаний. Мы видим высокую эффективность наших материалов в исследованиях на культурах клеток и в тестах на лабораторных животных.
Лазерный синтез – это технология, которая уже сегодня позволяет нам преодолевать те барьеры, которые еще недавно казались непреодолимыми. Мы не просто наблюдаем за природой, мы учимся конструировать на ее фундаментальном уровне, и это дает нам ключи к решению самых сложных задач.
– В чем уникальность ваших разработок?
– Конечно, лазерный синтез не является нашим эксклюзивным изобретением, в разных лабораториях мира активно ведутся работы в этом направлении. Это нормальная мировая научная практика, когда над схожими задачами работают параллельно несколько исследовательских групп.
Если же говорить о развитии этого направления именно в аспекте биомедицины, то здесь важно отметить, что одним из пионеров в мире является ведущий научный сотрудник ИФИБ Андрей Викторович Кабашин. Его работы во многом заложили основу для тех исследований, которые мы сейчас ведем.
Наша задача – не просто повторять известные методы, а находить свои уникальные формуляции и подходы к применению, опираясь на существующий мировой и локальный опыт. Если говорить предметно, то основа нашей технологической базы – фемтосекундные лазеры. Они сами по себе редкость, и работ по синтезу с их использованием действительно немного. Это дает нам особые рычаги воздействия на материал. Уникальность проекта именно в том, как быстро мы этими рычагами учимся пользоваться. Секрет – в команде. У нас собраны специалисты из разных областей, и это позволяет нам первыми приходить к новым эффективным материалам. Вертикальная интеграция и скорость генерации идей – это, пожалуй, наше главное конкурентное преимущество.
– Есть интерес к вашим разработкам в России или за рубежом?
– Мы тесно сотрудничаем с ведущими научными и медицинскими центрами страны: это и НМИЦ онкологии имени Блохина, и Институт биоорганической химии (ИБХ), Физический институт имени Лебедева (ФИАН), Институт общей физики РАН, МФТИ и МГУ. Такая коллаборация позволяет нам не только проверять разработки в реальных условиях, но и получать обратную связь от практикующих врачей и ученых смежных специальностей.
Мы также активно обсуждаем направления совместных работ с коллегами из Китая и Индии. Международная кооперация позволяет объединять усилия и быстрее двигаться к результатам.
