Скачать электронную версию статьи (в свободном доступе).

ФАНТОМНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПОЛЕЙ В ТКАНЕЭКВИВАЛЕНТНЫХ СРЕДАХ ПРИ ИК ФОТОТЕРМИИ С НАНОЧАСТИЦАМИ НИТРИДА ТИТАНА
П.В. Шахов, Г.В. Тихоновский, Е.А. Попова-Кузнецова, А.Ю. Захаркив, Е.В. Громушкина, С.М. Климентов, А.А. Попов

Цель: Проведение фантомных исследований тепловых полей, возникающих в биологических тканях при проведении инфракрасной (ИК) фототермии с сенсибилизацией воздействия плазмонными наночастицами нитрида титана.
Материал и методы: Гелевый фантом был создан на основе полиакриламида (ПАА) с добавлением нафтола зелёного и интралипида. Оптические свойства (приведённый коэффициент рассеяния) ингредиентов фантома были определены методом добавленного поглотителя. Распределение температурных полей исследовалось тепловизионным способом. В качестве сенсибилизаторов фототермического нагрева были использованы 50 нм плазмонные наночастицы нитрида титана, синтезированные лазерно-абляционным методом. Для проведения фототермических экспериментов был создан гомогенный фантом с оптическими параметрами, релевантными биологическим тканям (коэффициент поглощения µ_a=0,35 см^-1, приведённый коэффициент рассеяния µ'_s=30 см^-1), а также фантом, содержащий наночастицы в концентрации (0,02 мг/мл), увеличивающей коэффициент поглощения на Dµ_a=0,65 см^-1, и расположенные на расстоянии 5 мм под поверхностью фантома. Измерения тепловых полей в этих фантомах проводились при облучении ИК светом на длине волны 830 нм с интенсивностью 16 Вт/см² (900 мВт, пучок 1,3 мм) в течение 2 мин. Для измерения распределения тепловых полей внутри фантома был сконструирован стенд, позволяющий измерять температуру с передней грани фантома с помощью ИК тепловизора.
Результаты: Разработан гелевый фантом кубической формы с независимо изменяемыми коэффициентами поглощения и рассеяният с размерами 30x30x30 мм. Результаты фототермического эксперимента свидетельствуют о том, что использование наночастиц нитрида титана в малой концентрации для сенсибилизации фототермического воздействия позволяет значительно (до 5°C) увеличить нагрев тканей на глубине до 15 мм. Описана простая экспериментальная установка для измерения коэффициента рассеяния жидких ингредиентов фантома.
Заключение: Представлен простой способ создания гелевого фантома на основе ПАА для проведения экспериментов по моделированию фототермического нагрева биологических тканей и исследованию распределения тепловых полей внутри таких тканей. Такой фантом прост в обращении и позволяет быстро проводить моделирование фототермического отклика биологических тканей, в том числе тканей, содержащих различные пространственные распределения наночастиц. Получено экспериментальное подтверждение того, что наночастицы нитрида титана являются эффективным сенсибилизатором ИК фототермии.

Ключевые слова: тканеэквивалентный фантом, фотогипертермия, наночастицы, лазерная аблация, оптические свойства

Реферат

STUDYING IR PHOTOHYPERTHERMIA SENSITIZED BY TITANIUM NITRIDE NANOPARTICLES USING TISSUE-EQUIVALENT PHANTOMS
P.V. Shakhov, G.V. Tikhonowski, E.A. Popova-Kuznetsova, A.Yu. Zakharkiv, E.V. Gromushkina, S.M. Klimentov, A.A. Popov

Purpose: To use tissue-equivalent phantom for studies of thermal fields in biological tissues during IR photo hyperthermia with plasmonic titanium nitride nanoparticles (TiN NPs).
Material and methods: Gel phantom based on polyacrylamide (PAA) with addition of naphtol green dye and intralipid 10% was created. Optical properties (reduced scattering coefficient) of phantom ingredients were determined using added absorber technique. Thermal field distribution was studied with IR thermal imaging technique. 50 nm plasmonic TiN NPs, synthetized by laser ablation in liquids, were used as sensitizers of photothermic action. Photothermal experiments were performed using two phantoms: a phantom with homogeneous optical parameters, which are relevant to biological tissues (absorption coefficient µ_a=0.35 сm^-1, reduced scattering coefficient µ'_s=30 сm^-1), and a phantom containing 0.02 mg/ml of TiN NPs, which increased absorption coefficient by Dµ_a=0.65 сm^-1. The part of phantom with the NPs was located under 5 mm layer of NPs-free phantom. Photothermal effect was excited by CW laser irradiation of 830 nm wavelength and 16 W/cm² intensity (900 mW, beam diameter: 1.3 mm) for 2 min. Thermal field distribution inside the phantom was measured by IR thermal camera.
Results: A tissue-equivalent gel phantom with independently tunable absorption and scattering coefficients was designed. The phantom had cubic shape with 30x30x30 mm size. Results of photothermal experiments showed that the use of TiN NPs as sensitizers IR photohyperthermia leads to a significant increase in tissue temperature (up to 5 degrees Celsius) at distances up to 15 mm under the phantom surface. In addition, a simple experimental setup for measuring scattering coefficient of a liquid phantom ingredients was described.
Conclusion: A simple method for preparation of PAA phantom for modelling photothermal heating of biological tissues and studying thermal fields distributions was described. The phantom is handy and allows one to quickly experimentally simulate the photothermal response of biological tissues, including tissues containing various spatial distributions of photosensitive NPs. TiN NPs experimentally confirmed to be an effective sensitizer of IR photothermal effect.

Key words: tissue equivalent phantom, photohyperthermia, nanoparticles, laser ablation, optical properties

DOI: 10.52775/1810-200X-2022-94-2-85-95