Наночастицы, ускоряющие заживление глубоких ран

Учёные разработали новый гель для заживления сложных и хронических ран, например, при диабете или тяжёлых ожогах. В его основе — природный коллаген и наночастицы оксида церия. Обычно наночастицы оксида церия со временем слипаются и теряют свою активность. Чтобы этого не произошло, учёные из Первого МГМУ имени Сеченова «упаковали» их в специальную полимерную оболочку, а затем соединили с коллагеном в гелевую основу. Коллаген в этом случае создаёт поддерживающую матрицу для роста новых клеток, а наночастицы церия борются с воспалением и защищают ткани от повреждений. Это сочетание дало синергетический эффект — то есть компоненты усилили действие друг друга.

Первым этапом стала проверка геля на клетках, отвечающих за заживление. Специалисты выяснили, что самые удачные составы ускорили их рост и метаболизм на 42–50%. Затем начались испытания на крысах с глубокими кожными ранами: одной группе наносили новый гель, второй — обычную заживляющую мазь (декспантенол), а на третьей не применяли никакого лечения. Через две недели раны у животных, получавших новый гель, оказались в два раза меньше, чем у остальных групп. Более того, гель не просто ускорил затягивание ран, но и улучшил качество новой ткани.

«Коллаген и наночастицы оксида церия дали синергетический эффект, усиливая полезные свойства друг друга. Так, коллаген в составе материала выступает матрицей для роста клеток, а наночастицы оксида церия борются с воспалением, защищают клетки от окислительного стресса и стимулируют их рост и деление. Мы уверены, что у нашей разработки большие практические перспективы: она поможет лечить хронические раны при диабете, тяжелые ожоги и другие серьезные повреждения тканей», — пояснила заведующая лабораторией Екатерина Силина.

В будущем учёные планируют испытать гель на более сложных ранах — например, инфицированных, с устойчивыми к антибиотикам бактериями. Финальная цель — создать универсальное отечественное средство для регенерации тканей нового поколения, которое могло бы решить целый ряд медицинских и социальных проблем.

Лазер для неразрушимых космических кораблей

Российские учёные из МГУ им. М.В. Ломоносова разработали уникальный лазерный «термометр», который позволит в реальном времени наблюдать за распределением температур внутри раскалённого плазменного «облака». Такие «облака» возникают, например, когда лазерный луч попадает на материал. Эта технология поможет усовершенствовать производство микрочипов и создать надёжную теплозащиту для многоразовых космических кораблей. Как это работает: один лазер создаёт вспышку плазмы, а второй — возбуждает её частицы и тем самым заставляет их светиться. Это свечение улавливают оптические приборы, и по его характеру можно построить точную температурную карту плазменного факела.

«Плазма — это газ из заряженных частиц. Её используют во многих технических задачах. Например, изучая свойства материала, исследователи «ударяют» по нему лазерным импульсом. В результате часть вещества на его поверхности ионизируется и испаряется, образуя плазменную вспышку. Этот сгусток энергии живёт микросекунды, но внутри неё происходят сложные процессы. Предложенный метод позволяет получить термический “портрет” этой области», — пояснил доцент кафедры лазерной химии МГУ Тимур Лабутин.

Кроме того, учёный отметил, что новый метод позволяет воссоздавать процессы, похожие на гиперзвуковой вход объектов в атмосферу — будь то метеоры или космические корабли. При таком входе из-за сильного нагрева вокруг объекта образуется раскалённая плазменная оболочка. Понимание того, как распределяется температура внутри этого «огненного кокона», — ключ к созданию эффективной теплозащиты. Это позволит разработать устойчивые к плазме материалы и экраны, которые обеспечат сохранность многоразовых космических аппаратов при возвращении на Землю. Учёные уже начали эксперименты с образцами новых материалов. В планах — адаптировать этот метод для изучения других видов плазмы, например, в электрических дугах.

Инновация в работе с «вредными» дефектами материалов

Учёные из Казанского федерального университета открыли новый способ управления свойствами материалов при помощи искусственных дефектов на наноуровне. Этот подход может стать прорывом в солнечной энергетике, миниатюрной электронике и создании высокочувствительных датчиков.

Главная мысль заключается в том, чтобы использовать «вредные» дефекты в структуре материала как инструмент. В наночастицах, например, золотых частицах размером менее 5 нм, нарушения структуры приводят к необычному взаимодействию света с электронами. В некоторых условиях это может увеличивать показатель преломления материала в 10 и более раз, а также расширять рабочий диапазон.

«Мы исследовали это на примере золотых частиц размером менее 5 нм. Оказалось, что их способность преломлять свет возрастает. Особенно в условиях резонанса (когда частота света совпадает с частотой колебаний электронов в частице) этот показатель может увеличиться в 10 и более раз. Также происходит усиление в более широком диапазоне. Кроме того, наблюдаются и другие эффекты, которые вместе приводят к увеличению показателя преломления», — сообщила инженер КФУ Элина Батталова.

Этот способ, как отметила Элина Батталова, можно будет применять в солнечной энергетике: высокий показатель преломления может помочь преодолеть теоретический предел КПД для солнечных батарей (32% для кремния), что особенно важно для космических аппаратов и длительных миссий к дальним планетам. Также разработка станет полезной в создании прозрачных электродов и гибких дисплеев, «умных» очков и медицинских датчиков. Однако для применения на практике исследований ещё недостаточно, учёные продолжают работать над проектом и совершенствовать его.

Разработка для печати органов на принтере

Ещё одна интересная разработка – первая в России цифровая платформа для биофабрикации. Она позволит создавать искусственные органы с помощью 3D-биопечати. Авторы идеи – учёные из Сеченовского университета, по их задумке, платформа сможет моделировать поведение клеток в трёхмерном пространстве ещё до начала реальных экспериментов, прогнозировать зоны с недостатком кислорода в будущих тканях, подбирать оптимальный состав биочернил и режимы печати. 

«Мы объединили многолетний опыт лабораторных исследований с двумя уникальными расчётными моделями, которые позволяют визуализировать и предсказывать поведение клеток в трёхмерном пространстве. И получили патент на базу данных, лежащую в основе системы», — рассказал руководитель Центра разработки информационных систем и цифровых сервисов Намиг Самедов.

Платформу уже используют исследовательские группы университета, они создают биопечатные ткани — от хрящей и кожи до сложных структур, таких как участки печени. Эта разработка поможет планировать печать персонализированных имплантатов, снижая риски отторжения, а в будущем сможет стать инструментом для тестирования лекарств на искусственных тканях. В перспективе это может решить этические вопросы, связанные с испытаниями на животных.

Как отметила руководитель дизайн-центра «Биофабрика» Полина Бикмулина, платформа открывает путь к масштабному внедрению биопечати в практическое здравоохранение. В ближайшее время система станет доступна для широкого круга научных и медицинских организаций. При этом все созданные с её помощью биопечатные продукты будут проходить полный комплекс обязательных испытаний.

Миллиметровые волны для получения тепла из глубин Земли

Учёные из Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе и Института прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова представили проект по созданию неисчерпаемого источника чистой энергии. Его цель — добывать тепло из сверхгорячих сухих пород, расположенных на глубине 10–25 км, где температура достигает 400–450 °C. В традиционном варианте для таких работ используют сеть скважин: в одни закачивается вода, которая, проходя через разогретые трещины, превращается в пар и выходит через другие, а затем преобразуется в энергию. Однако это чрезвычайно дорого, именно этот фактор сдерживает развитие технологии.

Прорыв может обеспечить новая технология сверхглубокого бурения с помощью мощного миллиметрового излучения — гиротронов, аналогичных тем, что используются в термоядерных реакторах.

«В мире ищут бюджетные способы бурения. СВЧ-излучение в миллиметровом диапазоне волн может быть перспективным, потому что оно хорошо распространяется по волноводам и не теряет мощности на больших расстояниях», — поделился доктор физико-математических наук, заведующий отделом физики плазмы ИПФ РАН Александр Водопьянов.

Предварительные оценки показывают, что при мощности в 1 МВт скорость такого бурения может составить несколько метров в час. Технология предполагает, что первый участок скважины проходится обычным буром, а затем по опущенному волноводу подаётся СВЧ-излучение, испаряющее породу на забое. Пары выводит наверх инертный газ, а часть материала образует на стенках скважины стекловидную плёнку. По расчётам, этот метод может быть как минимум в пять раз дешевле традиционного сверхглубокого бурения.

Как отметил научный руководитель ИТФ СО РАН академик Сергей Алексеенко, в России наиболее доступны сверхнагретые породы на Камчатке, в Магаданской области, в районах Байкала и Тувы. Разработка даже 1% этих запасов, по оценкам, способна обеспечить страну энергией на 50 лет. Освоение технологии СВЧ-бурения может стать прорывом, который позволит работать на огромных глубинах в сложнейших геологических условиях.

Текст: Анастасия Баянова

Фото: сгенерированы freepik.com