Ett datorexperiment utfört av forskarna vid Ural Federal University tillsammans med kollegor från Edinburgh visade att det är felaktigt att beskriva beteendet hos magnetiska nanopartiklar som ger celluppvärmning med summan av reaktioner med var och en av dem:partiklar interagerar ständigt, och deras "kollektiva beteende" ger en unik effekt. Forskarna har publicerat forskningsresultatet i Fysisk granskning E tidning.

"Datorsimuleringstekniken är billigare än laboratorieforskning, och vi känner till alla parametrar för varje partikel och alla påverkande faktorer, "Aleksej Ivanov, UrFU professor, säger.

Inom ramen för studien, de magnetiska partiklarna (partiklar av magnetiska material som är hundra gånger mindre än det tunnaste människohåret) ansågs vara ett väsentligt inslag i cancerbehandlingsprocessen, när en tumör lokalt exponeras för värme samtidigt som en patient genomgår kemoterapi.

"Genom att exponera partiklarna för ett externt magnetfält, man kan "transportera" mediciner exakt till en specifik del av kroppen, " Ivanov förklarar. "Om du lägger sådana partiklar i en speciell substans som absorberas selektivt av cancerceller, en röntgen kommer att ge en kontrasterande bild av vävnaden som påverkas av tumören."

Ett växelmagnetfält som bildas av en källa för elektrisk växelström absorberar energi och får partiklar att rotera snabbare och därigenom ge uppvärmning. Intensiteten hos partiklarnas svar beror på olika faktorer:kraften hos magnetfältstrålaren, frekvensen av dess rotation, storleken på nanopartiklarna, hur de håller sig till varandra, etc.

UrFU-professorn och hans kollega Philip Camp, professor vid University of Edinburgh, förutsäga reaktionen av ett helt "lag" av magnetiska nanopartiklar till en extern källa av magnetfält med en viss kraft och frekvens, med hjälp av datormodellering. Den ryska vetenskapsmannen var ansvarig för den teoretiska grunden för experimentet, och hans kollega från Skottland för dess praktiska utförande på en superdator. Denna forskning stöddes av anslaget från Russian Science Foundation.

Enligt den klassiska Debye-teorin från 1923, det "kollektiva beteendet" hos partiklar beskrivs av summan av reaktionerna för var och en av partiklarna sammansatta i en "ensemble". Datorexperiment ledde Ivanov och Camp till antagandet att detta är en missuppfattning:partiklar interagerar ständigt, påverka varandra och deras "kollektiva beteende" ger en unik effekt och kokar inte ner till summan av "individuella" reaktioner.

"Vid en viss frekvens av ett alternerande magnetfält, resonans uppstår:det maximala svaret av nanopartiklar, maximal absorption av energi av dem och, följaktligen, maximal uppvärmning, " Ivanov tillägger. "Som ett resultat av ett datorexperiment, vi identifierade två sådana maxima, för stora och små partiklar, för medier med en övervikt av den förra och den senare. Om vi ​​tillämpade Debye-formlerna för att beräkna perioden och intensiteten för lokal uppvärmning av tumören, vi skulle ge den motsatta förutsägelsen och skulle inte få den bästa nödvändiga effekten. Vår modell visar att i jämförelse med den klassiska Debye-formeln, uppvärmningsmaxima bör vara en storleksordning mindre, och den erhållna effekten bör vara dubbelt så stor."

Nu planerar Alexey Ivanov och hans kollegor från det tyska tekniska universitetet i Braunschweig att göra en serie laboratorieexperiment för att bekräfta teorin.