Рассмотрены медицинские аспекты лазерной абляции металлов, которые в перспективе могут позволить проникнуть в тайны их воздействия на живой организм.

Дата публикации: 21/02/2010
Категория: Новости лазерных технологий
Версия для печати

В метаболизме живой клетки активную роль играют ионы металлов Мn, Fе, Мg, Со и их наноразмерные кластеры. Моделирование и синтез фракталов оксидов Зd-металлов, полученных методом лазерной абляции, дает возможность создать базу данных о корреляции химической связи и магнетизма в кластерах с биохимическими процессами в живой клетке, что в перспективе позволит проникнуть в тайны их воздействия на живой организм.
В 80-е годы прошлого века появился интерес к конструированию систем, свойства которых зависели от количества заключенных в них частиц.
Было обнаружено, что образцы, которые содержат десятки и сотни атомов, образуют новую фазу вещества, отличную от твердых тел, газов и жидкостей. Они получили название кластеров.
Как известно, в результате взаимодействия лазерного излучения с поглощающими средами в процессе лазерной абляции наблюдаются самоорганизующиеся процессы зарождения и рост фрактальных микрокластеров и углеродных наноструктур на подложке или стенках камеры.
При использовании наносекундных лазеров одним из основных механизмов термоабляции является взрывное кипение (фазовый взрыв). Оно приводит к рассеиванию молекулярных ассоциатов в объёме реактора.
При этом длина свободного пробега частиц в вакууме, как правило, составляет десятки сантиметров. Перспективным следует считать процесс лазерной абляции в жидкости. Он позволяет решить проблему сбора наночастиц естественным образом: наночастицы образуют коллоидный раствор, который затем можно использовать как для нанесения наноразмерных покрытий различного назначения, так и в нанобионике и в фармакологии.
Получаемые лазерной абляцией фракталы оксидов Зd-металлов, в частности МnО, могут найти широкое применение в медицине. Это обусловлено той активной ролью марганца, которую он играет в регуляции многих биохимических процессов в организме, это - костеобразование, синтез и обмен нейромедиаторов, иммунная защита, обмен инсулина и жиров. Марганец играет важную роль в метаболизме живой клетки. Известно, что метаболизм живых клеток обусловлен множеством ферментативных реакций и представляет собой высококоординированную и целенаправленную клеточную активность, обеспечиваемую участием многих взаимосвязанных мультиферментных систем.
Для адекватного функционирования любой мультиферментной системы в большинстве случаев необходимо наличие как минимум трех взаимосвязанных составляющих: биокатализаторов, коферментов и активаторов. В качестве активаторов, увеличивающих скорость ферментативной реакции и способствующих образованию активного центра, наиболее часто выступают двухзарядные ионы металлов, таких как Мg, Мn, Со и Zn.
В настоящее время оксид марганца широко используют в фармакологии для лечения хронической усталости, раздражительности, ухудшения внимания, слабости. Дело в том, что марганец участвует в регуляции нейрохимических процессов в центральной нервной системе, в белковом и энергетическом обмене веществ, влияет на усвоение кальция и фосфора, способствует правильному обмену сахара и жиров, участвует в защите организма от свободных радикалов.
В. Илясов, д.т.н., Б. Месхи, д.т.н., А. Рыжкин, д.т.н., И.Ершов, асп. (ЦКП ЛиОТ при ДГТУ, г.Ростов-на-Дону) провели серию экспериментов по лазерной абляции и заметили, что при разных условиях испарения мишени свойства образованных фрактальных микрокластеров разнятся между собой.
Начался поиск связи между этими параметрами. Была разработана методика прогнозирования свойств получаемых материалов.
Для этого провели квантово-механическое моделирование электронной структуры фрактальных микрокластеров. Как известно, при абляции твердых тел в вакууме и в жидкости образуются нанокластеры размерами от 2 до 10 и от 15 до 50 нм соответственно, в зависимости от химического состава мишени, мощности излучения и условий конденсации. В типичном кластере простого вещества, например кремния или германия, полученном абляцией, содержится от 18 до 50 атомов вещества.
Для адекватного описания свойств таких объектов необходимо использовать модели и методы квантовой теории твердого тела. Затем была изучена зонная структура, электронные и магнитные свойства нанослоя оксидов переходных Зd-металлов, на основе аb initio расчётов.
Расчёты зонной структуры оксидов выполнены полнопотенциальным методом псевдопотенциала (РРМ) с использованием программного пакета Quantum-Espresso. Анализ полученных результатов показал, что при синтезе двумерной системы типа 2D МеО (Ме = Мn, Fе, Со, Ni) будет наблюдаться перестройка зонной структуры, ответственной за их электромагнитные свойства и за особенности метаболизма живой клетки под влиянием данной системы. Особенности межатомных взаимодействий в системе МnО изучены на картах полной электронной плотности и показано различие в её локализации вдоль линий Ме-O, что обусловлено гибридизацией МеЗd-O2р-состояний электронов.
Данные о магнетизме атомов металла в микрокластерах могут оказаться важными при выборе воздействия на живую клетку, включая и процедуры магнетотерапии.
Изучение таких систем с использованием как экспериментальных методов рентгеновской дифрактометрии и сканирующей электронной микроскопии, так и аb initio методов расчёта зонной структуры показало, что изменение электронной структуры валентной полосы коррелирует с энергией химической связи и особенностями их свойств. Данный подход расширяет базу данных о процессах, протекающих на начальной стадии в лазерной плазме и позволяет прогнозировать свойства получаемых материалов. По результатам проведённых исследований, можно говорить о совершенно разных механизмах образования наночастиц меди и железа в кислородосодержащих жидкостях.
Полученные оболочечные наночастицы могут представлять интерес для наноэлектроники, так как они демонстрируют особенности, присущие малоразмерным квантовым объектам - квантовым точкам.
Выполнены исследования микро-(нано-) рельефа слоев на подложке.
Можно проследить, например, что для порошка Fе образуется оксид с цветом ржавчины, т.е. его химическая формула Fе₂O₃, в то время как для Со и Ni цвет оксидов соответственно черный и темно-зеленый, что говорит об образовании монооксидов.
Проведенные экспериментальные исследования не претендуют на исчерпывающую полноту и точность, однако они показывают, как много важной информации о процессах, происходящих при лазерной абляции, можно получить, используя упомянутые методы.
С помощью методов эмиссионной спектроскопии можно получить информацию как о качественном, так и о количественном составе образующихся кластеров. В то же время, атомно-силовая и сканирующая зондовая микроскопия, дают значительную информацию о форме наночастиц и рельефе образующихся двумерных структур.

Источник: «ФОТОНИКА», 2009, №6, с.2-7, www.electronics.ru

Статьи по теме: