Образец для цитирования:

Петров А. В., Петров В. В., Лапин С. А., Мокроусов М. Д., Горин Д. А. Акустоэлектронная система формирования высокоинтенсивного сфокусированного ультразвукового излучения для вскрытия нано- и микроразмерных контейнеров // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Физика. 2018. Т. 18, вып. 3. С. 215-227. DOI: https://doi.org/10.18500/1817-3020-2018-18-3-215-227


УДК: 
534.2:519.6
Язык публикации: 
русский

Акустоэлектронная система формирования высокоинтенсивного сфокусированного ультразвукового излучения для вскрытия нано- и микроразмерных контейнеров

Аннотация

Представлены результаты разработки акустоэлектронной системы формирования высокоинтенсивного сфокусированного ультразвукового пучка для управляемого высвобождения препаратов, инкапсулированных в микро- и наноконтейнеры. Разработанная система позволяет производить оптоакустическую диагностику объекта с помощью встроенного оптоакустического объектива, в котором фокусирующая акустическая линза и оптический волновод с микролинзой на его торце расположены коаксиально. Система снабжена устройствами вертикального и горизонтального позиционирования, что позволяет производить точную настройку области оптоакустической диагностики и ультразвукового воздействия на желаемый участок объекта исследования. Электронный блок системы позволяет генерировать модулированное высокочастотное электромагнитное излучение с возможностью перестройки скважности и длительности импульсов модуляции. Электронный блок также позволяет перестраивать уровень выходной мощности. Такая вариация выходных параметров удобна для подбора оптимального режима диагностики с последующим вскрытием микро- и наноконтейнеров, локализованных в желаемой области объекта. Приведен график зависимости диаметра инжектируемых альгинатных микрокапсул от диаметра капилляра. Обсуждаются результаты зависимости времени вскрытия альгинатных микрокапсул от концентрации в них азотнокислого серебра.

Литература

1. Siwy Z., Trofi n L., Kohli P., Baker L. A., Trautmann C, Martin C. R. Protein Biosensors Based on Biofunctionalized Conical Gold Nanotubes // J. Amer. Chem. Soc. 2005. Vol. 127, № 14. P. 5000–5001.

2. Wu Z., Wu Y., He W., Lin X., Sun J., He Q. Self–Propelled Polymer–Based Multilayer Nanorockets for Transportation and Drug Release // Angew. Chemie. 2013. Vol. 125, № 27. P. 7138–7141. DOI: https://doi.org/10.1002/ange.201301643

3. Wu Y., Wu Z., Lin X., He Q., Li J. Autonomous movement of controllable assembled Janus capsule motors // ACS Nano. 2012. Vol. 6. P. 10910–10916. DOI: https://doi.org/10.1021/nn304335x

4. Skorb E. V., Mohwald H. 25th Anniversary Article : Dynamic Interfaces for Responsive Encapsulation // Systems. Adv. Mater. 2013. Vol. 25. P. 5029–5043. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.201302142

5. Frueh J., Gai M., Yang Z., He Q. Infl uence of polyelectrolyte multilayer coating on the degree and type of biofouling in freshwater environment // J. Nanosci. Nanotechnol. 2014. Vol. 14. P. 4341–4350.

6. Callow J. A., Callow M. E. Trends in the development of environmentally friendly fouling-resistant marine coatings // Nat. Commun. 2011. Vol. 2. P. 244. DOI: https://doi.org/10.1038/ncomms1251

7. Borisova D., Akçakayıran D., Schenderlein M., Möhwald H., Shchukin D. G. Nanocontainer-based anticorrosive coatings : effect of the container size on the selfhealing performance // Adv. Funct. Mater. 2013. Vol. 23. P. 3799–3812. DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.201203715

8. Faraji A. H., Wipf P. Nanoparticles in Cellular Drug Delivery // Bioorganic Med. Chem. 2009. Vol. 17. P. 2950–2962. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bmc.2009.02.043

9. Lin S., Huang R., Cheng Y., Liu J., Lau B. L.T., Wiesner M. R. Silver nanoparticle-alginate composite beads for point-of-use drinking water disinfection // Water Research. 2013. Vol. 47. P. 3959–3965. DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2012.09.005

10. Gao H., Wen D., Sukhorukov G. B. Composite silica nanoparticle/polyelectrolyte microcapsules with reduced permeability and enhanced ultrasound sensitivity // J. Mater. Chem. B. 2015. Vol. 3 P. 1888–1897. DOI: https://doi.org/10.1039/C4TB01717J

11. Yi Q., Sukhorukov G. B. Externally triggered dual function of complex microcapsules // ACS Nano. 2013. Vol. 7. P. 8693–705. DOI: https://doi.org/10.1021/nn4029772

12. Sun Y., Zheng Y., Li P., Wang D., Niu C., Gong Y., Huang R., Wang Z., Wang Z., Ran H. Evaluation of superparamagnetic iron oxide-polymer composite microcapsules for magnetic resonance-guided high-intensity focused ultrasound cancer surgery // BMC Cancer. 2014. Vol. 14. P. 800. DOI: https://doi.org/10.1186/1471-2407-14-800

13. Stuart M. A. C., Huck W. T. S., Genzer J., Müller M., Ober C., Stamm M., Sukhorukov G. B., Szleifer I., Tsukruk V. V., Urban M., Winnik F., Zauscher S., Luzinov I., Minko S. Emerging applications of stimuli-responsive polymer materials // Nat. Mater. 2010. Vol. 9. P. 101–113. DOI: https://doi.org/10.1038/nmat2614

14. Gao H., Wen D., Tarakina N. V., Liang J., Bushby A. J., Sukhorukov G. B. Bifunctional ultraviolet/ultrasound responsive composite TiO2 / polyelectrolyte microcapsules // Nanoscale. 2016. Vol. 8, iss. 9. P. 5170–5180. DOI: https://doi.org/10.1039/c5nr06666b

15. Gorin D. A., Shchukin D. G., Mikhailov A. I., Kohler K., Sergeev S. A., Portnov S. A., Taranov I. V., Kislov V. V., Sukhorukov G. B. Effect of Microwave Radiation on Polymer Microcapsules Containing Inorganic Nanoparticles // Technical Physics Letters. 2006. Vol. 32, № 1. P. 70–72. DOI: https://doi.org/10.1134/S1063785006010238

16. Ma M., Xu H. X., Chen H. R., Jia X. Q., Zhang K., Wang Q., Zheng S. G., Wu R., Yao M. H., Cai X. J., Li F. Q., Shi J. L. A Drug Perfl uorocarbon Nanoemulsion with an Ultrathin Silica Coating for the Synergistic Effect of Chemotherapy and Ablation by High Intensity Focused Ultrasound // Adv. Mater. 2014. Vol. 26, № 43. P. 7378–7385. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.201104033

17. Wang X., Chen H., Chen Y., Ma M., Zhang K., Li F., Zheng Y., Zeng D., Wang Q., Shi J. Perfl uorohexane Encapsulated Mesoporous Silica Nanocapsules as Enhancement Agents for Highly Effi cient High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) // Adv. Mater. 2012. Vol. 24, № 6. P. 785–791. DOI: https://doi.org/10.1002/adma.201104033

18. Булычев Н. А., Кистерев Э. В., Иони Ю. В., Руд- нев А. В. Синтез наноматериалов с контролируемыми свойствами с помощью ультразвука // Нанотехнологическое общество России. URL: http://www.ntsr.info/science/library/2946.htm (дата обращения: 22.06.2018).

19. Николаев А. Л., Гопин А. В., Конопацкая И. И., Миронов М. А., Пятаков П. А., Андронова Н. В., Трещалина Е. М., Дежкунов Н. В. Твердофазная соносенсибилизация в сонодинамической терапии онкологических заболеваний // Московский государственный университет. Ученые записки физического факультета. 2014. T. 5, № 145344. С. 1–13.

20. Хмелёв В. Н., Шалунов А. В., Хмелёв М. В. Создание и применение специализированного ультразвукового оборудования для получения конструкционных наноматериалов // Второй Международный форум по нанотехнологиям RUSNANOTECH-09 : тез. докл. М. : Гос. корпорация «Российская корпорация нанотехнологий», 2009. С. 412–423. URL: http://usonic.ru/downloads/2009/nano.pdf (дата обращения: 22.06.2018).

21. Zhou D., Li C., He M., Ma M., Li P., Gong Y., Ran H., Wang Z., Wang Z., Zheng Y., Sun Y. Folate-targeted perfl uorohexane nanoparticles carrying bismuth sulfi de for use in US/CT dual-mode imaging and synergistic high-intensity focused ultrasound ablation of cervical cancer // J. Mater. Chem. B. 2016. Vol. 4, iss. 23. P. 4164–4181. DOI: https://doi.org/10.1039/C6TB00261G

22. Zhang H., Xia H., Wang J., Li Y. High Intensity Focused Ultrasound Responsive Release Behavior of PLA-b-PEG Copolymer Micelles // J. Control. Release. 2009. Vol. 139. P. 31–39. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2009.05.037

23. De Smet M., Heijman E., Langereis S., Hijnen N. M., Grull H. Magnetic resonance imaging of high intensity focused ultrasound mediated drug delivery from temperature-sensitive liposomes: an in vivo proof-of-concept study // J. Control. Release. 2011. Vol. 150. P. 102–110. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2010.10.036

24. Ordeig O., Chin S. Y., Kim S., Chitnis P. V., Sia S. K. An implantable compound-releasing capsule triggered on demand by ultrasound // Sci. Rep. 2016. Vol. 6. P. 22803. DOI: https://doi.org/10.1038/srep22803

25. Arora J. S., Murad H. Y., Ashe S., Halliburton G., Yu H., He J., John V. T., Khismatullin D. B. Ablative Focused Ultrasound Synergistically Enhances Thermally Triggered Chemotherapy for Prostate Cancer in vivo // Mol. Pharm. 2016. Vol. 13. P. 3080–3090. DOI: https://doi.org/10.1021/acs.molpharmaceut.6b00216

26. Kolesnikova T. A., Gorin D. A., Fernandes P., Kessel S., Khomutov G. B., Fery A., Shchukin D. G., Möhwald H. Nanocomposite microcontainers with high ultrasound sensitivity // Advanced Functional Materials. 2010. Vol. 20. P. 1189–1195. DOI: https://doi.org/10.1002/adfm.200902233

27. Жаров В. П., Летохов В. С. Лазерная оптоакустическая спектроскопия. М. : Наука, 1984. 320 c.

28. Лямшев Л. М. Лазерное термо-оптическое возбуждение звука. М. : Наука, 1989. 237 c.

29. Гусев В. Э., Карабутов А. А. Лазерная оптоакустика. М. : Наука, 1991. 304 с.

30. Хилл К. Применение ультразвука в медицине : физические основы. М. : Мир, 1989. 568 с.

31. Карнишин В. В. Линзовая акустическая микроскопия – новый неразрушающий метод контроля материалов и изделий электронной техники // Зарубежная электронная техника. 1987. № 7. С. 65–79.

32. Bobkova S., Gavrilov L., Khokhlova V., Shaw A., Hand J. Focusing of high intensity ultrasound through the rib cage using therapeutic random phased array // Ultrasound Med. Biol. 2010. Vol. 36, № 6. P. 888–906. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ultrasmedbio.2010.03.007

33. Бэйли М. Р., Хохлова В. А., Сапожников О. А., Каргл С. Г., Крам Л. А. Физические механизмы воздействия терапевтического ультразвука на биологическую ткань // Акустический журн. 2003. Т. 49, № 4. C. 437−464.

34. Гаврилов Л. Р. Эволюция мощных фокусирующих систем для применения в различных областях медицины (обзор) // Акустический журн. 2010. Т. 56, № 6. С. 844−861.

35. Пат. 2603819 Российская Федерация, МПК G01N 29/00 (2006.01). Оптоакустический объектив / Петров А. В., Королович В. Ф., Горин Д. А., Петров В. В., Сухоруков Г. Б.; заявитель и патентообладатель ФГБОУ «Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н. Г. Чернышевского». – № 2015111328/28 ; заявл. 30.03.2015 ; опубл. 27.11.2016, Бюл. № 33.

36. Lin S., Huang R., Cheng Y., Liu J., Lau B. L. T., Wiesner M. R. Silver nanoparticle-alginate composite beads for point-of-use drinking water disinfection // Water Research. 2013. Vol. 47, iss. 12. P. 3959–3965. DOI: https://doi.org/10.1016/j.watres.2012.09.005

37. Мейзда Ф. Электронные измерительные приборы и методы измерений. М. : Мир, 1990. 535 с.

38. Harrison G. H., Balcer-Kubiczek E. K., Eddy H. A. Potentiation of chemotherapy by low-level ultrasound // Inter. J. Radiat. Biol. 1991. Vol. 59. P. 1453–1466.

39. Taniyama Y., Tachibana K, Hiraoka K, Aoki M, Yamamoto S., Matsumoto K., Nakamura T., Ogihara T., Kaneda Y., Morishita R. Development of safe and effi cient novel nonviral gene transfer using ultrasound : enhancement of transfection effi ciency of naked plasmid DNA in skeletal muscle // Gene Therapy. 2002. Vol. 9. P. 372–380.

40. Yuh E. L., Shulman S. G., Mehta S. A., Xie J., Chen L., Frenkel V., Bednarski M. D., King C. P. Li. Delivery of systemic chemotherapeutic agent to tumors by using focused ultrasound : Study in a murine model // Radiology. 2005. Vol. 234, № 2. P. 431–437. DOI: https://doi.org/10.1148/radiol.2342030889

Краткое содержание (на английском языке): 
Полный текст в формате PDF (на русском языке):