Метрологические аспекты изучения наноинструментов для радиочастотной абляции опухолей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Метрологические аспекты изучения наноинструментов для радиочастотной абляции опухолей

В.И. Чиссов1

И.В. Решетов1

С.С. Сухарев2

О.В. Маторин1

А.В. Корицкий1

1МНИОН им. П. А. Герцена, Москва, Россия

2 ФГОУ ИПК ФМБА России, Москва, Россия

Целью работы являлась разработка и апробирование методов оценки и изучения наноинструментов для проведения Радиочастотной Абляции (РЧА) суспензий наночастиц в гелях и поверхностей электродов - индукторов РЧА в ходе многократных циклов «применение-стерилизация».

В 2004-2005 годах коллективом авторов были проведены опыты [1], дающие основания ожидать увеличения эффективности лечения опухолей методом Радиочастотной Абляции (РЧА): повреждающее действие РЧА на ткани в присутствии наночастиц превосходит повреждающее действие без введения таковых.

В настоящее время принято электроды для проведения РЧА делать одноразовыми. Такая политика имеет важные преимущества: во-первых, нет необходимости в тщательной стерилизации использованных электродов, во-вторых, деградация свойств поверхности электродов в ходе эксплуатации становится несущественной. Однако, если провести целенаправленное изучение динамики изменения свойств поверхности электрода, а также подбор эффективных методов стерилизации, появляется возможность многократного его использования. Многократное использование электродов способно привести к уменьшению стоимости лечения и к росту доли больных, которые смогут его оплатить.

Для того, чтобы действующий агент (терапевтические или диагностические наночастицы) могли быть использованы, они должны вводиться в ткани организма обязательно в виде некоей лекарственной формы, которая призвана обеспечивать:

1. Стабильную концентрацией нанообъектов для обеспечения контроля дозировки.

2. Защиту нанообъектов от захвата и нейтрализации естественными защитными силами организма, прежде всего белками плазмы и медиаторами воспаления.

3. Для наночастиц и наноконструкций особое значение приобретает необходимость предотвращения образования конгломератов. Это связано с тем, что важнейшие свойства наночастиц определяются во многих случаях тем, что у них велико отношение количества атомов, находящихся на поверхности частицы, к количеству атомов внутри.

Некоторые из перечисленных свойств разрабатываемых лекарственных форм на основе наночастиц могут быть, как оказалось, оценены путем измерений с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) in vitro. К ним относятся: результирующие размеры наообъектов, концентрация нанообъектов, способность их к образованию конгломератов.

Представляется также естественным изучение теми же средствами динамики изменения свойств поверхностей электродов - индукторов РЧА с целью определения возможности их многократного использования.

Материалы и инструменты

Система Интегра Прима производства «ЗАО НТ-НДТ» Зеленоград, Россия.

Различные наночастицы (сульфида рения, серебра) размерами 80 и 120 нанометров, диспергированные в различных гелях. Электроды и термодатчики для универсального комплекса для проведения РЧА «Метатом-2» производства ЗАО «Техносвет».

Исследование препаратов наночастиц

Для достижения цели работы решались следующие задачи:

1. Разработка или выбор методов пробоподготовки исследуемого материала. Суспензия наночастиц в той или иной вязкой среде наносилась тонким слоем на предметное стекло и исследовалась методом АСМ в полуконтактном режиме. Оказалось, что препараты на основе декстрана и клея образовывали устойчивые структуры, допускающие многократное сканирования с воспроизводимыми результатами.

2. Оценка размеров регулярных однотипных образований по площади осуществлялась путем многократных измерений их линейных размеров (специальная функция штатного программного обеспечения системы Интегра). При этом с помощью статистических алгоритмов подсчитывались средние значения размеров и стандартные отклонения указанных параметров. Второй найденный способ оценки размеров плоских образований заключался в измерении линейных размеров «зон рассогласования» или, иными словами, зон возникновения артефактов. Дело в том, что перед началом сканирования в полуконтактном режиме выполняется особая процедура полуавтоматического подбора параметров колебаний кантилевера, адекватная свойствам поверхности. При существенном изменении свойств поверхности в ходе сканирования настройки в некоторых случаях не обеспечивали формирования правильного рельефа виртуальной поверхности (возникновение артефактов в виде характерных пирамид, рисунок 1). Такие участки трактовались как зоны выступания твердых наночастиц над поверхностью вязкой фазы. Очевидно, для таких участков невозможно определение высоты выступания пиков, поскольку упомянутые пирамиды отражают не детали поверхности, а внутренние процессы автоколебаний сканирующей системы.

3. Оценка вертикальных размеров образований. Реальная высота образований не равна высоте h1 высшей точки образования над уровнем геля. Для ее оценки необходимо определить толщину коллоида h2 и сложить ее с h1. Оценить h2 можно на участках (рисунок 2), где слой коллоида механически разрушен. Для этого средствами программного обеспечения системы Интегра строятся несколько сечений препарата (показаны на рисунке 3).

4. Оценка внутренней структуры образований: солидные или конгломераты более мелких частиц. Для этого проводится сравнение их характерных вертикальных и горизонтальных размеров. Для солидных структур характерные вертикальные и горизонтальные размеры должны быть близки, а для конгломератов скорее следует ожидать, что горизонтальные размеры будут преобладать над вертикальными (рисунок 4).

5. Оценка расстояний между образованиями. Минимальное расстояние между образованиями коррелирует с их размерами. Определяетмя штатными программными средствами системы Интегра в ходе обработки изображений.

Рисунок 1:Артефакты, возникающие из-за локальных несоответствий параметров колебаний кантилевера свойствам поверхности

наноинструмент радиочастотный абляция электрод

Рисунок 2. Участок разрушенного декстрана на фоне стекла. Ниже приведены оценки высот слоя декстрана на различных сечениях данного препарата

Высота ~ 1 микрометр

Высота ~ 0,4 микрометра

Высота ~ 0,6 микрометра

Рисунок 3: С помощью сечений можно оценить высоту слоя коллоида на препарате с рисунка 2

Рисунок 4. Внешний вид конгломерата наночастиц, сформировавшегося в геле - горизонтальные размеры образования существенно меньше вертикальных

Изучение электродов, подвергнутых в ходе эксплуатации многократным циклам применения-стерилизации

Особенностью изучаемого объекта является наличие двух наборов параметров, характеризующих форму.

Первый набор параметров определяет длинную трубку диаметром порядка 1-2 миллиметров, поверхность невооруженным глазом воспринимается как гладкая. Поскольку система Интегра не имеет штатных средств для крепления такого рода образцов (и это следует считать недостатком в контексте проводимого исследования), при каждом конкретном сканировании манифестируется больший или меньший (всегда случайный) наклон объекта исследований относительно плоскости, в которой движется кантеливер. Названные обстоятельства приводят к появлению при сканировании регулярных артефактов, проиллюстрированных на рисунке 5.

Второй набор параметров характеризует тонкую структуру поверхности электрода, изменение которой при воздействии многократных циклов применения-стерилизации и является предметом изучения.

Изображение наклонного участка на рисунке 5, видимо, реалистично с учётом разницы вертикального и горизонтального масштабов, однако легко заметить, что тонкие детали, которые и предполагается подвергнуть изучению, расположены не на плоскости, а на сложной поверхности, которая является частью трубки электрода.

Известны подходы на основе АСМ [2] к объективной характеризации поверхностей. В составе программного обеспечения системы Интегра имеются инструменты, реализующие эти подходы, однако все они работают в предположении, что тонкие структуры расположены на плоскости, а не на сложной поверхности, характерной для электродов.

В то же время при сканировании можно настроить систему таким образом, чтобы построчно из каждого профиля вычитались аппроксимирующие траектории разных порядков. Наиболее очевидное применение данного режима - элиминация регулярного наклона препарата, приготовленного на предметном стекле. В нашем случае для «выравнивания» (превращения в плоскость) сложной поверхности электрода опытным путем был подобран режим «построчного вычитания линий 4го порядка». Для иллюстрации на рисунке 6 представлена поверхность с рисунка 5, подвергнутая указанной обработке.

Рисунок 5. Регулярные артефакты: плоскость вверху - выход сканирующей системы за пределы линейного участка из-за слишком большой разницы в высотах разных участков образца; уменьшение ширины плоской поверхности происходит из-за нестандартного закрепления образца (наклон в направлении расширения плоской поверхности)

Рисунок 6. Поверхность с рисунка 5, сканированная в режиме «построчного вычитания линий 4го порядка». Видно, что сложная поверхность преобразована в плоскость

После сканирования образцов в указанном режиме для них подсчитываются следующие параметры, характеризующие тонкую структуру поверхности:

· среднеквадратичная шероховатость Rq (вычисляется как корень квадратный из среднего квадрата отклонения точек поверхности от аппроксимирующей плоскости), nm;

· средняя шероховатость Rа (вычисляется как средний модуль отклонения координат точек поверхности от аппроксимирующей плоскости), nm;

· средняя шероховатость поверхности по 10 точкам Rz (вычисляется как сумма средней высоты 5 самых высоких выступов поверхности со средней глубиной 5 наиболее глубоких впадин поверхности), nm.

В Таблице 1 представлены полученные характеристики двух образцов электродов, полученные на двух этапах - сразу после вскрытия фабричной упаковки и сразу после первого применения для индукции РЧА.

Таблица 1

В результате проведенных опытов отмечено увеличение всех параметров шероховатости поверхностей электродов. Причины этого (деградация поверхности электрода, фиксация на электроде фрагментов карбонизированных тканей или что-либо другое) должны быть выяснены в ходе дальнейших исследований. Важно также будет определить, обратимы ли эти изменения в результате очистки и стерилизации электродов. На данном же этапе представляется возможным констатировать, что выбранный метрологический инструментарий (применение АСМ) адекватен задачам исследований и может быть использован для поиска возможностей улучшения эксплуатационных характеристик электродов - индукторов РЧА.

Выводы

В работе предложены методы определения размеров и концентраций наночастиц, диспергированных в вязких носителях, а также оценки внутренней структуры более крупных образований. Методы апробированы на примере изучения форм, предназначенных для модулирования сеансов РЧА, на основе наночастиц сульфида рения и серебра, диспергированных в различных гелях.

В работе предложен, обоснован и апробирован способ подсчета параметров, объективно характеризующих свойства поверхности электродов индукторов РЧА, информативных с точки зрения улучшения их эксплуатационных свойств.

Алгоритм и методы опираются на использование АСМ.

Литература

1. V.I. Chissov, I.V. Reshetov, P.N. Luskinovich, A.A Shepelev, G.D. Efremov, O.V.Matorin, S.S. Sukharev. The Evolution of Views of in vivo Use of Nanoparticles for Tumor Treatment. Technical Proceedings of the 2005 Nanotechnology Conference and Trade Show, Nanotech2005

2. Строшков В.П., Григоров И.Г., Пшеничников В.А., Кожевников В.Л. Влияние фазового и химического состава инструментальных сталей на микрорельеф поверхности, образующейся в результате электрохимической размерной обработки. «Инструмент и технологии», №19-20, 2005, стр. 91-94

Размещено на Allbest.ru