Материалы портала «Научная Россия»

Философия новых материалов

Философия новых материалов
Международная группа исследователей уже несколько лет успешно работает в области применения нанотехнологий для подавления роста раковых клеток. И примененный учеными подход к созданию наноструктурных агентов для новой противораковой терапии представляет с

Международная группа исследователей из России, Словении, Германии, США и Израиля во главе с учеными из Института физики прочности и материаловедения (ИФМП) СО РАН и Томского политехнического университета (ТПУ) уже несколько лет успешно работает в области применения нанотехнологий для подавления роста раковых клеток. С российской стороны в коллектив также входят ученые из Томского государственного университета (ТГУ), Отдела структурной макрокинетики ФГУН «Томский научный центр (ТНЦ) СО РАН» и Сколковского института технологий (Сколтеха). О значимости исследований говорит и уровень публикаций, в том числе в журналах Nature Publishing Group. Ученые работают на стыке наук, там, где физика и химия встречаются с биологией.

В разговоре с нашим корреспондентом директор Института физики прочности и материаловедения член-корреспондент РАН Сергей Григорьевич Псахье подчеркнул, что примененный учеными подход к созданию наноструктурных агентов для новой противораковой терапии представляет собой лишь одну из возможностей развиваемого в его институте нового научного направления – физической мезомеханики.

 

Сергей Григорьевич Псахье.Доктор физико-математических наук, профессор, директор Института физики прочности и материаловедения (ИФМП) СО РАН, член-корреспондент Российской академии наук (2011).Окончил Томский государственный университет (1977), выпускник кафедры физики металлов физического факультета.В 1977-1979 гг. аспирант Томского государственного университета.С 1979 г. работал в Институте оптики атмосферы СО РАН в отделе физики твердого тела, научный сотрудник, с 1982 г. старший научный сотрудник. Кандидат наук (1981).С 1984 г. работает в ИФПМ СО РАН, старший научный сотрудник, с 1985 г. — руководитель лаборатории. Доктор наук (1990).C 1991 г. — профессор Томского государственного университета.В 1994-1995 г. работа в Университете Северной Каролины (США). С 2002 г. — директор Института физики прочности и материаловедения СО РАН.C 2006 г. — профессор Томского политехнического университета, заведующий кафедрой.В 2005-2012 гг. — председатель Президиума Томского научного центра СО РАН.В 2011 г. избран членом-корреспондентом РАН.Область научных интересов – физика твердого тела, физическая мезомеханика, нанотехнологии и их применение в биологии и медицине, трибология, геодинамика, дискретные методы многоуровневого моделирования. Автор и соавтор более 200 научных работ, в том числе пяти монографий.Член редколлегий нескольких международных журналов.Был награжден орденом Дружбы (2007), почетным знаком СО РАН «Серебряная сигма» (2007), почетным званием «Заслуженный ветеран СО РАН» (2005), юбилейной медалью «400 лет городу Томску» (2004), почетной грамотой президиума РАН (1999), лауреат премий СО РАН в 1980 г. и 1990 г.

Сергей Григорьевич Псахье.

Доктор физико-математических наук, профессор, директор Института физики прочности и материаловедения (ИФМП) СО РАН, член-корреспондент Российской академии наук (2011).

Окончил Томский государственный университет (1977), выпускник кафедры физики металлов физического факультета.

В 1977-1979 гг. аспирант Томского государственного университета.

С 1979 г. работал в Институте оптики атмосферы СО РАН в отделе физики твердого тела, научный сотрудник, с 1982 г. старший научный сотрудник. Кандидат наук (1981).

С 1984 г. работает в ИФПМ СО РАН, старший научный сотрудник, с 1985 г. — руководитель лаборатории. Доктор наук (1990).

C 1991 г. — профессор Томского государственного университета.

В 1994-1995 г. работа в Университете Северной Каролины (США). С 2002 г. — директор Института физики прочности и материаловедения СО РАН.

C 2006 г. — профессор Томского политехнического университета, заведующий кафедрой.

В 2005-2012 гг. — председатель Президиума Томского научного центра СО РАН.

В 2011 г. избран членом-корреспондентом РАН.

Область научных интересов – физика твердого тела, физическая мезомеханика, нанотехнологии и их применение в биологии и медицине, трибология, геодинамика, дискретные методы многоуровневого моделирования. Автор и соавтор более 200 научных работ, в том числе пяти монографий.

Член редколлегий нескольких международных журналов.

Был награжден орденом Дружбы (2007), почетным знаком СО РАН «Серебряная сигма» (2007), почетным званием «Заслуженный ветеран СО РАН» (2005), юбилейной медалью «400 лет городу Томску» (2004), почетной грамотой президиума РАН (1999), лауреат премий СО РАН в 1980 г. и 1990 г.

Это направление было сформулировано еще в 80-х гг. прошлого века. Основоположником его был академик Виктор Евгеньевич Панин. Кстати, совсем недавно, 10 ноября, мы отмечали его юбилей. Введение новых терминов и понятий всегда вызывает противодействие, это такой здоровый консерватизм: новые представления должны проходить через цикл острых дискуссий, и мезомеханика не стала исключением. В острых дискуссиях с корифеями она закалилась и завоевала признание в научном мире. В ее основе лежит многоуровневая концепция, согласно которой при разработке новых материалов необходимо учитывать то обстоятельство, что процессы в них происходят на разных структурных уровнях. Это генерация, движение и аннигиляция дефектов различной размерности, образование, рост, слияние и фрагментация зерен и т.д. Важно, что все эти процессы связаны друг с другом и именно эта взаимосвязь определяет свойства материала, его поведение в различных, в том числе экстремальных условиях. Для придания материалам новых свойств иногда достаточно внести, казалось бы, совсем небольшие изменения в эту иерархию. Таким образом мы можем, например, увеличить усталостную прочность в десятки раз. И такие разработки уже есть.

Говоря проще, мезомеханика – это многоуровневый подход к разработке перспективных материалов, согласно которому материал следует рассматривать как среду, в которой постоянно происходят изменения, причем на всех уровнях, от микро- до макро-. Все эти уровни связаны друг с другом, и зная характер существующих связей, можно управлять вполне определенными свойствами материала.

Сегодня это научное направление переживает своеобразный бум: практически во всех ведущих странах мира создаются программы, инициативы и научные центры по данной тематике. Это обусловлено тем, что традиционные взгляды почти исчерпали свои возможности и необходимо развивать новые способы управления свойствами материалов. И в основе лежат принципы, когда-то заложенные в Томске академиком В.Е. Паниным. Сейчас этот подход становится общим фактически для всей науки о материалах, и мы в числе лидеров. Именно на этой основе мы разрабатываем самые различные материалы, в том числе для ядерной энергетики, авиакосмической техники, для применения в условиях Арктики. Многоуровневый подход мезомеханики позволяет развивать и другие направления. Например, совместно с Ракетно-космической корпорацией «Энергия» им. С.П. Королева мы разрабатываем многоуровневый подход в направлении, которое известно как «динамическое моделирование и проектирование конструкций». В этой области многоуровневый подход позволит учесть иерархию внутренней структуры материала при проектировании сложных конструкций и механических систем космических аппаратов. Разработчики получат возможность находить новые конструкторские и инженерные решения. Это направление развивается нами совместно с Томским политехническим университетом и Томским государственным университетом.

Может быть, я увлекаюсь, но должен сказать, что считаю этот подход универсальным и выходящим за рамки науки о материалах. Это почти философский подход, приложимый к разнообразным сложным системам, даже социальным.

Сегодня исследования иерархически организованных структур ведутся по двум направлениям – это так называемые твердые (hard matter) и мягкие (soft matter) материалы. Сейчас в стадии бурного становления находится новая научная дисциплина - sоft matter science. Она еще не имеет общепринятого названия на русском языке, пока оно звучит как «наука о мягкой материи». Характерно, что для этой научной дисциплины актуальны те же принципы, что и для физической мезомеханики.

Но давайте вернемся к биомедицинским приложениям.

Управление структурой материала на уровне с характерным масштабом ниже, чем нано-, т.е. фактически на атомном, показало, что даже, казалось бы, незначительные изменения могут приводить к изменению отклика на макроскопическом уровне, менять свойства наночастиц порой самым неожиданным образом. Это позволило нам разрабатывать наноструктуры для создания противораковых агентов с необходимым комплексом свойств.

Первое направление связано с созданием структуры, получившей название феррилипосома. Она представляет собой пузырек, окруженный мембраной – бислоем фосфолипидов. В этот пузырек по специальной технологии помещались наши наночастицы, полученные с помощью механохимической обработки. Планировалось использовать магнитные свойства наночастиц для так называемого магнитного нацеливания и доставки химиопрепаратов или других лекарственных средств непосредственно к раковой опухоли. Уже в процессе экспериментов выяснилось, что помимо необходимых магнитных свойств эти частицы вследствие определенных особенностей атомного устройства обладают и уникальными контрастными свойствами. Поведенный в Томске, Словении и США цикл исследований завершился публикацией в журнале Nature Nanotechnology. Об интересе к работе и перспективности полученных результатов говорит, тот факт, что, согласно данным базы данных научного цитирования Web of Science, созданной компанией Thomson Reuter, на эту работу уже сослались более чем в 140 статьях.

 

Д. Шехтман и С.Г. Псахье в мемориальном доме-музее академика П.Л. Капицы

Д. Шехтман и С.Г. Псахье в мемориальном доме-музее академика П.Л. Капицы

- Это был первый этап. Он, как я понимаю, уже пройден. В чем суть того, что вы делаете сейчас?

- В данный момент мы развиваем подход, также использующий возможности атомного проектирования наноструктур: создаем так называемые низкоразмерные наноструктуры различной морфологии. Они представляют собой как бы скомканные листы, толщина которых не превышает нескольких нанометров, и могут быть в форме агломератов, отдельных нанолепестков или декорировать поверхность микроволокон. Особенности атомной структуры поверхности этих наноструктур определяют концентрацию и мощность активных центров. Наши исследования показали, что именно они и ответственны за противоопухолевую активность. Долгое время мы не могли определить механизм подавления жизнеспособности раковых клеток агломератами наших низкорамерных наноструктур. Важную роль сыграло компьютерное моделирование. Использование полноатомного моделирования методом молекулярной динамики позволило, сопоставляя различные сценарии воздействия на раковые клетки с экспериментальными исследованиями, проанализировать их. В результате мы пришли к выводу, что имеем дело не с химическим, а с физическим принципом воздействия. Дело в том, что активные центры на поверхности нанолистов меняют ионный баланс в приклеточной среде. В результате нарушается функционирование механизмов, определяющих трансмембранные потоки. Раковая клетка начинает испытывать недостаток энергии, она как бы голодает. Поскольку раковым клеткам для обеспечения жизнедеятельности и размножения требуется энергии больше, чем нормальным, то они очень чувствительны к «режиму питания» и плохо переносят его нарушения и сбои, становятся более чувствительными к внешним воздействиям.

Что еще важно: поскольку действие противораковых агентов на основе этих низкоразмерных наноструктур не химическое и не приводит к появлению новых химических соединений, то они безвредны для организма. Наша разработка уже защищена российским патентом, подана заявка на международный патент.

 

- То есть уже скоро мы будем иметь новое лекарство против рака?

- К сожалению, не скоро – в этой области путь от научного результата до препарата, который можно купить в аптеке, занимает годы. Но если использовать нашу разработку как дополнение к уже существующим лекарствам, сроки можно значительно сократить. Поэтому наши словенские коллеги провели эксперименты, где наши противораковые агенты использовались в качестве дополнительного фактора при лечении стандартно применяемым в противораковой терапии химиотерапевтическим препаратом доксорубицином, Этот препарат, как и другие химиопрепараты, очень токсичен и при лечении онкологических заболеваний отравляет весь организм. В наших экспериментах доксорубицин использовался в минимальных дозах. Эксперименты показали, что даже в случае очень агрессивных форм рака, например при меланоме, предварительное воздействие нашими агентами приводило к кратному повышению эффективности действия стандартного химиопрепарата. Это, безусловно, весьма многообещающий результат, который может быть основой новых стратегий лечения.

 

- Почему именно Томск оказался в эпицентре этих научных событий?

- Вне всякого сомнения, успехи томских ученых далеко не случайны: ведь в Томске на протяжении уже без малого 90 лет развивается одна из старейших в стране научных школ в области материаловедения, физики прочности и пластичности. Основоположником ее в начале прошлого века был академик В.Д. Кузнецов. Сегодня она развивается Институтом физики прочности и материаловедения СО РАН как меж- и трансдисциплинарное направление. Нужно подчеркнуть, что это направление активно поддерживается в рамках программ ведущих университетов ТПУ и ТГУ, проектами Российского научного фонда, Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) и Федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 гг.». Безусловно, нельзя недооценивать роль и значение международной кооперации с ведущими научными центрами.

Следует отметить, что на протяжении более десяти лет нами в кооперации с учеными из других институтов, в том числе зарубежных академий, выполнялись интеграционные междисциплинарные и международные проекты Сибирского отделения РАН. Проекты были посвящены различным приложениям физической мезомеханики в области прочности, пластичности, химического материаловедения, геодинамики, биологии, информационных технологий, инженерных наук и т.д. Это позволило, опережая время, сформировать прообраз сетевой формы организации научных исследований и выработать новые компетенции, определяющие сегодня конкурентоспособность в области многоуровневого подхода в науке о материалах и разработке материалов с иерархической структурой. Именно это позволило разработать комплексный план фундаментальных научных исследований по тематике «Перспективные материалы с многоуровневой иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций», цель которого – повышение эффективности реализации Программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук (ПФНИ ГАН) путем создания горизонтальных связей при выполнении госзаданий. При этом государственные задания семи академических институтов, организаций-участников, остаются без изменений. Повышение эффективности достигается благодаря интеграции ключевых компетенций и ресурсов организаций-участников для выполнения ПФНИ ГАН при сохранении научными организациями статуса юридических лиц и возможностей развития своих уникальных, в том числе междисциплинарных компетенций, а также возможностям создания временных альянсов с организациями-партнерами комплексного плана для формирования и выполнения проектов, грантов, контрактов, ориентированных на вовлечение результатов исследований по направлениям ПФНИ ГАН в реальный сектор экономики РФ.

биология виктор панин ифмп со ран мезомеханика нанотехнологии нове материалы раковые клетки сергей псахье со ран тгу тнц со ран тпу физика химия

Назад

Социальные сети

Комментарии

Авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий