Мультиферроик – вызов гигантам диагностики?

В России запатентован магнитный датчик, действующий по принципу камертона. Прибор, разработанный  командой ученых НИТУ «МИСиС», улавливает слабые магнитные поля вплоть до магнитных сигналов сердца человека. Предполагается, что, благодаря простоте и дешевизне изготовления, разработка в разы удешевит и упростит неинвазивную диагностику в кардиологии, а в дальнейшем – и в онкологии. Статья о разработке опубликована в журнале Magnetism and Magnetic Materials.

Новый композит – вместо СКВИД

Сейчас диагностика в магнитоэнцефаллографии и магнитокардиографии выполняется с помощью СКВИД-магнитометров (SQUID, Superconducting Quantum Interference Device – «сверхпроводящий квантовый интерферометр»). Но эти приборы трудно назвать удобными в использовании: они действуют при температуре жидкого гелия (4 К) и потому требуют активного охлаждения. Стоимость таких диагностических установок достигает сотен тысяч долларов. Приборы, работающие без охлаждения, могли бы стоить в несколько раз меньше, благодаря чему диагностическое оборудование стало бы доступным не только крупнейшим клиникам, но небольшим медучреждениям. Над решением проблемы – как обойтись без охлаждения? – параллельно работает несколько зарубежных групп исследователей, которые создают новый тип датчика на основе физических свойств инновационных материалов. Российско-португальский проект с участием МИСиС нашел свое решение.

«Мы предложили композитный материал, который состоит из двух компонентов, – объясняет ведущий разработчик проекта, инженер кафедры материаловедения полупроводников и диэлектриков НИТУ «МИСиС» Андрей Турутин. – Первый – пьезоэлектрический кристалл бидоменного ниобата лития. Он специально подготовлен в нашей лаборатории, чтобы придать ему необходимые свойства. Второй – аморфные металлы, обладающие магнитострикционным эффектом. Соединяя эти материалы, можно получить композитный мультиферроик. Он может преобразовывать внешнее магнитное поле в электрический сигнал. При воздействии магнитного поля мы получим расширение или сжатие магнитного материала, а вследствие этого пьезоэлектрический материал также деформируется, что приводит к возникновению нескомпенсированного заряда за счет пьезоэлектрического эффекта. Мы можем снять их в виде электрического сигнала и записать. Это позволяет измерять подаваемое магнитное поле».

Датчик – это своего рода продолжение нового материала, практическое приложение его свойств. С него можно получить сигнал, который затем усиливает, регистрирует и записывает электроника.

«Все вместе это является измерительным прибором. У нас есть чувствительный элемент, т.е. сам материал, схема предусиления, которую мы тоже уже проработали, и комплекс лабораторного оборудования, который детектирует и усиливает сигнал», – сообщил эксперт.

От Альцгеймера до рака

Следующим шагом станет создание клинического прибора. Полученная на сегодня чувствительность материала позволяет сделать датчик для диагностики магнитной активности сердца человека. Но впереди большая работа.

По мнению разработчиков, данная методика будет востребована и в других областях – она позволяет диагностировать на ранних стадиях и исследовать такие заболевания, как рассеянный склероз, болезнь Альцгеймера, шизофрения, хронический алкоголизм, невралгии различного генезиса. Она способна помочь в наблюдении заболеваний сердца, например ишемической болезни.

В дальнейшем возможно также изучение альфа-ритмов мозга, которые порождают относительно большое магнитное поле (в сравнении с другими магнитными полями в мозге человека). Ожидается, что таким образом можно будет фиксировать активность мозга в ответ на внешние воздействия

Исследователи сотрудничают с группой коллег из МГУ, которые занимаются проблемами мозга человека, ведут клинические исследования и взаимодействуют с онкологами. Они разрабатывают совместный проект – детектирование магнитных наночастиц для диагностики рака на подопытных мышах. «В раковую опухоль вносят магнитные наночастицы, потом их разгоняют внешним магнитным полем, они начинают греться внутри опухоли и разрушать ее, – говорит Андрей Турутин. – Предполагается, что таким образом можно будет лечить рак без химиотерапии, особенно в случаях, когда опухоль труднодоступна и ее нельзя вырезать. Наш сенсор позволит определить положение наночастиц в теле человека, чтобы врач точно знал: они попали именно в опухоль, но не в другие органы».

Москвичи в тренде

Московские исследователи получили в России первый патент на магнитоэлектрический датчик в 2019 году. Сегодня в мире есть около десятка различных типов магнитоэлектрических датчиков, также запатентованных, но основанных на иных материалах. Так, в немецком Киле, где работает лаборатория по исследованию магнитоэлектрических и композитных мультиферроиков и применению созданных на их основе сенсоров, создается датчик с тем же принципом действия, но другими пьезоэлектриком и магнитным слоем. Он предназначен в основном для использования в биомедицинских целях. Конкуренты из Германии, по признанию Турутина, «уже ушли вперед в своих исследованиях, так как имеют гораздо большие возможности». Там проводили эксперименты по магнитокардиографии: измеряли ритмы сердца человека.

Группа из МИСиС получила трехлетний грант от Российского научного фонда в объеме 15 млн руб. на изучение свойств нового материала, повышение чувствительности и достижение заявленных характеристик и отработала первый год. Часть измерений выполняется в Португалии, в университете Авейро, где есть необходимое оборудование. В университете работает руководитель исследовательского направления профессор Николай Соболев. Он координирует работу для достижения тех результатов, которые будут востребованы при создании будущих приборов.

Применение новых датчиков может оказаться вызовом для производителей – гигантов медицинского бизнеса. Манитометры для магнитоэнцефалографии – устройства не модульные, и это значит, что интеграция их в существующее дорогостоящее оборудование невозможна.

Василий Когаловский