Методы характеризации наноматериалов в медицинской физике
Рентгеновская дифракция (XRD) Рентгеновская дифракция используется для определения кристаллической структуры наноматериалов. При прохождении рентгеновских лучей через кристалл происходит дифракция, интенсивность и углы отражения позволяют идентифицировать фазы вещества, определить размеры элементарной ячейки и кристаллитов. Метод широко применим при анализе наночастиц оксидов металлов, углеродных нанотрубок и других твердых наноструктурированных материалов.
Высокоразрешающая трансмиссионная электронная микроскопия (HRTEM) HRTEM обеспечивает визуализацию атомной решетки с субнанометровым разрешением. С его помощью можно исследовать дефекты, границы зерен, межфазные границы и уточнить морфологию наночастиц. Метод требует подготовки ультратонких образцов и работы в высоком вакууме.
Сканирующая электронная микроскопия (SEM) SEM дает изображение поверхности наноматериалов с высоким разрешением. Современные микроскопы позволяют получать как морфологическую информацию, так и химическую картину распределения элементов при использовании энергетически-дисперсионной спектроскопии (EDS). В медицине SEM применяется для исследования биосовместимости наноструктурированных покрытий имплантатов.
Динамическое светорассеяние (DLS) DLS используется для определения гидродинамического диаметра наночастиц в коллоидных растворах. Метод основан на анализе флуктуаций интенсивности рассеянного света, вызванных броуновским движением частиц. Особенно важен для оценки стабильности и размера наночастиц в физиологических средах.
Атомно-силовая микроскопия (AFM) AFM позволяет получить топографию поверхности наноматериала с нанометровым разрешением. Преимущества метода — возможность измерений в жидкости, что актуально для биологических систем. AFM также применяется для оценки механических свойств — жесткости, адгезии и трения наноструктурированных покрытий.
Наночастотное рассеяние (Nanoparticle Tracking Analysis, NTA) NTA использует видеозапись движения наночастиц под микроскопом и анализ траекторий для оценки размера и распределения. Метод эффективен при исследовании экзосом, липосом и других биологических наноструктур.
Энергетически-дисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDS/EDX) В сочетании с SEM или TEM, EDS позволяет проводить элементный анализ с пространственным разрешением. Особенно полезен для подтверждения состава металлических и оксидных наноматериалов, а также оценки контаминаций.
Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) XPS применяется для определения химических состояний элементов на поверхности наночастиц. Этот метод позволяет анализировать химические связи, степень окисления и состав поверхностных слоев толщиной до 10 нм, что критично при оценке модификации поверхности наноматериалов в биомедицине.
Инфракрасная спектроскопия с преобразованием Фурье (FTIR) FTIR выявляет характерные колебания химических связей в молекулах. Используется для идентификации органических функциональных групп, особенно при поверхностной функционализации наночастиц для целевой доставки лекарств или иммобилизации биомолекул.
Ультрафиолетово-видимая спектроскопия (UV-Vis) UV-Vis спектроскопия используется для анализа оптических свойств наночастиц, таких как плазмонный резонанс в золотых или серебряных наночастицах. Метод также эффективен при изучении взаимодействия наноматериалов с лекарственными веществами и биомолекулами.
Электрофоретическая подвижность и измерение ζ-потенциала ζ-потенциал является индикатором стабильности коллоидных растворов. Он определяется через скорость перемещения частиц в электрическом поле. Высокий по модулю ζ-потенциал (±30 мВ и более) указывает на устойчивую систему, что критично при применении наночастиц в кровотоке.
Наноиндентация Этот метод используется для оценки твердости, модуля упругости и вязкоупругих свойств наноструктурированных покрытий. Особенно актуален для биосовместимых материалов, применяемых в ортопедии и стоматологии.
Дифференциальная сканирующая калориметрия (DSC) DSC позволяет определить фазовые переходы, тепловую стабильность и теплоту плавления наноматериалов. В биомедицинских применениях метод используется для анализа полимерных наночастиц, липосом и наногелей.
Термогравиметрический анализ (TGA) TGA оценивает термостойкость, состав и содержание летучих компонентов в наноматериалах. Метод критически важен при оценке степени функционализации наночастиц, стабильности оболочек и матриц, особенно в условиях физиологических температур.
Флуоресцентная спектроскопия Флуоресцентные наночастицы, такие как квантовые точки, требуют тонкого спектрального анализа для определения квантового выхода, длины волны возбуждения и излучения. Метод используется для отслеживания наноматериалов in vitro и in vivo.
Электронный парамагнитный резонанс (EPR) EPR применяется для изучения магнитных наночастиц и определения наличия неспаренных электронов. Используется для контроля магнитных контрастных агентов в МРТ и оценки радиочувствительности наночастиц.
Магнитометрия (SQUID, VSM) Измерение намагниченности при различных температурах и полях позволяет охарактеризовать суперпарамагнитическое поведение наночастиц. Это важно для оценки эффективности и безопасности наноматериалов в гипертермии и магнитно-резонансной визуализации.
Методы in vitro: MTT, Alamar Blue, LDH-тесты Эти клеточные тесты позволяют количественно оценить жизнеспособность, пролиферацию и цитотоксичность клеток после воздействия наноматериалов. Применяются как предварительный скрининг биосовместимости.
Флуоресцентная микроскопия и конфокальная лазерная микроскопия Позволяют визуализировать проникновение наночастиц в клетки и субклеточные структуры, а также взаимодействие с органеллами. Использование специфических меток и красителей повышает информативность.
Методы проточной цитометрии Позволяют количественно оценить поглощение наночастиц, их влияние на жизнеспособность клеток, индукцию апоптоза и воспалительных маркеров. Метод высокочувствителен и применим при анализе больших популяций клеток.
Характеризация наноматериалов требует мультидисциплинарного подхода. Только совмещение различных методов позволяет получить полную информацию о размерах, морфологии, составе, поверхностных свойствах и взаимодействии с биологическими системами. В медико-физических исследованиях каждый метод раскрывает отдельный аспект поведения наноструктур, и только их синергия гарантирует надёжную интерпретацию результатов.