Защита диссертации Калиекперовой Камилы Бахтжанқызы на соискание степени доктора философии (PhD) по образовательной программе «8D07140 - Наноматериалы и нанотехнологии»

В Евразийском национальном университете имени Л.Н. Гумилева состоится защита диссертации на соискание степени доктора философии (PhD) Калиекперовой Камилы Бахтжанқызы на тему «Изучение влияния вариации фазового состава железосодержащих нанокомпозитов на их гипертермические свойства и цитотоксичность» по образовательной программе «8D07140 – Наноматериалы и нанотехнологии».

Диссертация выполнена на кафедре «Кафедра Ядерной физики, новых материалов и технологий» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева.

Язык защиты - на русском

Официальные рецензенты:

- Сатбаева Зарина Аскарбековна – PhD, профессор-исследователь кафедры «Техническая физика и теплоэнергетика», НАО «Шәкәрім Университет» (г. Семей, Республика Казахстан);

- Кенжина Лаура Болатказыевна – к.м.н., ассоциированный профессор, начальник лаборатории биодозиметрических исследований отдела радиоэкологических и биодозиметрических исследований филиала ИРБЭ РГП НЯЦ РК.

Временные члены Диссертационного совета:

- Ерланұлы Ерасыл – PhD, Руководитель Centre Environmental Engineering, Казахстанско – Британский технический университет (г.Алматы, Республика Казахстан);

- Айдарова Сауле Байляровна – д.х.н., профессор Казахско – Британского Технического Университета (г. Алматы, Казахстан);

- Бурый Максим – PhD, Руководитель отдела плазмохимических технологий, Institute of Plasma Physics of the CAS (Прага, Чехия).

Научные консультанты:

Козловский Артем Леонидович – доктор PhD, ассоциированный профессор кафедры ядерной физики, новых материалов и технологий, НАО «Евразийский национальный университет имени Л.Н. Гумилева» (г. Астана, Республика Казахстан)

Тишкевич Дарья Ивановна – кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Государственного объединения «Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению» (г. Минск, Республика Беларусь)

Защита состоится: 8 июня 2026 года 16:00 часов в Диссертационном совете по направлению подготовки кадров «8D071 – Инженерия и инженерное дело» по по образовательной программе  «8D07140 – Наноматериалы и нанотехнологии» Евразийского национального университета имени Л.Н. Гумилева. Заседание диссертационного совета состоится в смешанном (офлайн и онлайн) формате.

Ссылка: https://clck.ru/3TS9Ug 

Адрес: г. Астана, ул. Кажымукана 13, аудитория 309.

Аннотация (рус.): АННОТАЦИЯ диссертационной работы Калиекперовой Камилы Бахтжанқызы «Изучение влияния вариации фазового состава железосодержащих нанокомпозитов на их гипертермические свойства и цитотоксичность», представленной на соискание степени доктора философии (PhD) по образовательной программе «8D07140-Наноматериалы и нанотехнологии» Актуальность диссертационного исследования. Бурное развитие нанотехнологий в современном мире охватывает практически все сферы жизнедеятельности, обеспечивая новые подходы и технологические решения для научно-технических и прикладных задач. При этом особый интерес представляют наноструктурные материалы и композиты, обладающие совокупностью уникальных физико-химических свойств, имеющих существенные отличия от макроскопических аналогов. В первую очередь, данные особенности связаны с высоким отношением удельной площади поверхности к объему, квантово-размерными эффектами, а также возможностями управления структурной и функциональными свойствами материалов в процессе их синтеза. Следует отметить, что в последние годы значительное внимание уделяется применению наноструктурных композитов, в частности, магнитных железосодержащих или ферритных наноструктур в биомедицинском направлении. В первую очередь это связано с высокими показателями биосовместимости, возможностями функционализации поверхности, а также хорошими показателями управляемости в магнитных полях. Одним из наиболее перспективных направлений исследований применимости магнитных наноструктур является целевая и адресная доставка лекарственных средств с применением магнитных наночастиц, что позволяет повысить эффективность терапии за счет снижения дозировки препаратов и минимизации побочных эффектов за счет локализации активного вещества непосредственно в патологическом очаге. Большое внимание к ферритным и железосодержащим наноструктурам в последние годы проявляется в расширении их применимости в области магнитной гипертермии. Ферритные наночастицы, такие как MnFe2O4, CoFe2O4, ZnFe2O4 способны достаточно эффективно преобразовывать энергию переменного магнитного поля в тепловую за весьма короткие временные промежутки, тем самым обеспечивая локальное увеличение температур вблизи и внутри опухолевых тканей до терапевтически значимых значений (порядка 42-45°С). Подобный температурный режим вызывает необратимые повреждения злокачественных клеток за счёт денатурации белков, нарушения целостности клеточных мембран и подавления механизмов репарации ДНК, при этом здоровые ткани, обладающие более развитой системой теплоотвода и устойчивостью к тепловому стрессу, в меньшей степени подвержены повреждению. Использование магнитных ферритных и железосодержащих наночастиц в магнитной гипертермии позволяет достичь высокой селективности и эффективности воздействия на опухолевые ткани, что позволяет рассматривать данные метод, как самостоятельный метод лечения, так и совмещать его с химиотерапией или лучевой терапией, тем самым увеличивая эффективность лечения. Дополнительным преимуществом ферритных наночастиц является возможность тонкой настройки их тепловыделяющих характеристик за счёт варьирования химического состава, размеров и морфологии частиц, а также поверхностной функционализации. Управление механизмами магнитных потерь, включая релаксацию Неля и Брауна, позволяет оптимизировать удельную мощность поглощения, что в свою очередь может быть адаптировано под конкретные биомедицинские задачи, что делает ферритные наноструктуры более предпочтительными по сравнению с традиционными наночастицами магнетита или гематита, имеющих ограниченную эффективность преобразования трансформации энергии переменного магнитного поля в тепловую, в условиях клинически допустимых параметров. Также магнитные железосодержащие или ферритные наночастицы находят свое практическое применение в качестве контрастирующих веществ для медицинской визуализации в магнитно – резонансной томографии за счет суперпарамагнитных свойств и высокой магнитной восприимчивости, обуславливающей сокращение времени продольной и поперечной релаксации ядер водорода, что в свою очередь приводит к увеличению контрастности изображений и повышению качества визуализации патологических изменений в тканях по сравнению с традиционными контрастирующими агентами. Следует отметить, что ферритные магнитные наноструктуры представляют собой универсальные функциональные элементы современных биосенсорных систем, обеспечивающие высокую чувствительность, специфичность и скорость анализа. Их дальнейшее развитие открывает широкие перспективы для ранней диагностики онкологических и инфекционных заболеваний, мониторинга состояния пациента и реализации персонализированных подходов в медицине. Среди разнообразия железосодержащих и ферритных наноструктур следует выделить феррит цинка со шпинельным типом структуры и наноструктурные композиты на его основе. Интерес к данному типу феррита обусловлен в первую очередь его исключением токсичных ионов тяжелых металлов в составе, что является одним из больших преимуществ при разработке систем in vivo применения. В сравнении с ферритом кобальта, обладающим высокой магнитной анизотропией и значительными гистерезисными потерями, феррит цинка обладает гораздо меньшей магнитной анизотропией, что снижает риск неконтролируемого локального перегрева тканей и делает возможным использование наноструктур для длительных или повторяемых процедур гипертермии. При этом высокие показатели биосовместимости феррита цинка существенно упрощают вопросы токсикологической оценки. В свою очередь шпинельная структура ZnFe2O4 характеризуется упорядоченным распределением катионов по тетраэдрическим (A) и октаэдрическим (B) позициям кристаллической решётки, что определяет магнитные взаимодействия между подрешётками и, как следствие, магнитные характеристики материала. Важным преимуществом феррита цинка является возможность изоморфного замещения ионов Fe2+/Fe3+ ионами Zn2+ в кристаллической решётке, что позволяет целенаправленно управлять магнитной анизотропией, коэрцитивной силой и намагниченностью насыщения. Введение ионов Zn2+, обладающих немагнитной природой, приводит к перераспределению магнитных ионов железа между подрешётками шпинели, изменяя обменные взаимодействия и снижая магнитную анизотропию системы. Это, в свою очередь, способствует формированию суперпарамагнитного поведения при малых размерах частиц, что является критически важным для биомедицинских применений, связанных с in vivo использованием магнитных наночастиц. В свою очередь возможность тонкой настройки магнитных параметров за счёт варьирования степени замещения ионов железа цинком, а также контроля размеров и морфологии частиц, позволяет адаптировать ZnFe2O4 наноструктуры под конкретные биомедицинские задачи. В частности, такие наноматериалы демонстрируют перспективные характеристики как для мягкой магнитной гипертермии, так и для применения в магнитно-резонансной томографии в качестве контрастирующих агентов с управляемыми релаксивными свойствами. Однако следует отметить, что несмотря на большое количество работ в данном направлении остается еще много нерешенных вопросов, связанных с изучением вариативности фазового состава ZnFe2O4 наноструктур, а также его влияние на устойчивость к внешним воздействиям и эффективности изменения удельной мощности поглощения при гипертермическом применении. Цель данного диссертационного исследования. Цель диссертационного исследования заключается в определении влияния вариативности фазового состава наноструктурных железосодержащих композитов на основе феррита цинка на изменение его устойчивости к коррозии, цитотоксичности и эффективности применения в гипертермических исследованиях. Задачи диссертационного исследования. На основе сформулированной цели диссертационного исследования были сформулированы следующие задачи, реализация которых позволила получить новые данные о перспективах применения наноструктурных композитов на основе феррита цинка в биомедицинском направлении. Ниже приведены сформулированные задачи, выполнение которых было осуществлено в диссертационном исследовании: 1. Определение влияния вариации соотношения компонент при синтезе наноструктурных композитов на основе феррита цинка на фазовый состав и структурные особенности. 2. Изучение кинетики процессов деградации наноструктурных композитов в модельных буферных растворах и установление влияния коррозионных процессов на цитотоксичность и эффективность применения в гипертермии. 3. Исследование влияния воздействия ионизирующего излучения на структурные особенности и эффективность применения ZnFe2O4 нанокомпозитов при использовании их в магнитной гипертермии. Объекты исследования. В качестве объектов исследования были выбраны железосодержащие композиты на основе ZnFe2O4 со структурой шпинели, полученные методом химического осаждения и твердофазного синтеза с последующим термическим отжигом при изменении соотношения компонент оксидов, изменение которых приводит к вариации фазового состава. Предмет исследования. Предмет диссертационного исследования заключается в установлении закономерностей изменения коррозионной устойчивости, цитотоксичности и гипертермической эффективности наноструктурных железосодержащих композитов на основе феррита цинка в зависимости от их фазового состава, структурных особенностей и условий внешнего воздействия, включая влияние агрессивных биологических сред и ионизирующего излучения. Методы исследования. В качестве основных методов характеризации исследуемых образцов наноструктурных композитов были применены метод растровой электронной микроскопии для визуализации морфологических особенностей наноструктур, метод рентгеноструктурного анализа, используемый для определения структурных параметров, фазового состава и соотношения фаз в образцах, а также определения кинетики деградации при коррозионном воздействии в случае длительного нахождения в модельных растворах, метод определения эффективности удельной мощности поглощения для определения потенциала применения наноструктур в гипертермии, метод моделирования процессов коррозии, заключающийся в размещении образцов в модельных буферных растворах и поддержании их заданные временные промежутки в установленных температурных режимах. Определение цитотоксичности и биосовместимости проводилось путем проведения МТТ тестов с использованием клеточных линий Mia PaCa-2 и раствора (3-[4,5-dimethylthiazol-2yl]-2,5-diphenyltetrazolium bromide). Научная новизна. Установлены закономерности влияния вариативности фазового состава наноструктурных композитов на основе феррита цинка, полученных при изменении соотношения оксидных компонентов, на их коррозионную устойчивость в модельных биологических средах. В ходе проведенных исследований определено, что вариация соотношения компонент приводит к изменению весовых вкладов основной фазы ZnFe2O4 и примесей в виде ZnO и Fe2O3, а также степени структурного упорядочения и степени инверсии, характеризующей катионное распределения в структуре шпинели. Выявлено влияние фазового состава и структурных особенностей нанокомпозитов на эффективность магнитной гипертермии, включая вклад межфазных границ и дефектной структуры в процессы тепловыделения при воздействии переменного магнитного поля. В ходе определения потенциала применимости исследуемых (1-x)Fe3O4 – xZnO нанокомпозитов для гипертермии установлено, что изменение фазового состава за счет вариации весовых вкладов ZnFe2O4/ZnO в составе и уменьшении размеров приводит к увеличению эффективности удельной скорости тепловыделения с 80 Вт/г до 129 Вт/г, что позволяет рассматривать данные структуры как один из конкурентных материалов в магнитной гипертермии. Исследовано влияние ионизирующего излучения на структурное состояние, фазовый состав и гипертермическую эффективность наноструктурных композитов на основе ZnFe2O4, что расширяет представления о возможности их использования в условиях комбинированного терапевтического воздействия. В ходе проведенных исследований установлена прямая корреляция между величиной удельных потерь тепловыделения и степенью радиационно-индуцированной структурной деградации нанокомпозитов, выраженной через объёмное структурное распухание и накопление дефектов кристаллической решётки. Установленные различия между трендами изменений структурных параметров, а также удельной скорости тепловыделения образцов нанокомпозитов облученных в модельных буферных растворах и без них позволили сделать вывод о том, что совокупное воздействие среды и ионизирующего излучения оказывает влияние на скорость структурных повреждений и, как следствие, снижение удельной скорости тепловыделения. Показано, что облучение в буферном растворе PBS приводит к дополнительному формированию химически индуцированных дефектов приповерхностного слоя, усиливающих деградацию магнитных свойств и потери удельных потерь тепловыделения по сравнению с облучением в сухих условиях. Основные положения, выносимые на защиту. 1. Установлено, что вариация весовых вкладов ZnFe2O4/ZnO в составе нанокомпозитов приводит к увеличению эффективности удельной скорости тепловыделения с 80 до 129 Вт/г, обусловленное изменением степени инверсии, катионного распределения и размерных эффектов, связанных с уменьшением размеров зерен и удельной площадью поверхности. 2. В ходе экспериментов по определению коррозионной стойкости нанокомпозитов установлено, что накопление аморфных и структурно-разупорядоченных включений в структуре снижает кристаллохимическую устойчивость шпинельной фазы ZnFe2O4 и способствует дальнейшему перераспределению катионов усиливая эффект катионного беспорядка, тогда как рост степени инверсии отражает глубину этих структурных изменений. 3. Результаты оценки влияния воздействия ионизирующего излучения на структурную стабильность (1-x)Fe3O4 – xZnO нанокомпозитов показали, что вытеснение фазы Fe2O3 из состава нанокомпозитов, а также формирование дислокационного упрочнения за счет изменения размеров частиц приводит к увеличению устойчивости к структурным изменениям, вызванным ионизационными эффектами, оказывающим влияние на эффективность гипертермического применения и цитотоксичность. 4. Определены оптимальные составы нанокомпозитов 0.56ZnFe2O4 – 0.44ZnO и 0.30ZnFe2O4 – 0.70ZnO, обладающие повышенной устойчивостью к радиационному воздействию и сохраняющие гипертермическую эффективность в условиях терапевтических доз облучения. Теоретическая и практическая значимость результатов исследования. Определена роль изменения соотношения фаз в составе композитов на основе феррита цинка на сдерживание коррозионных процессов при длительном контакте с буферными растворами, а также установлено влияние, образующихся ферригидритных включений на эффективность применимости наноструктур в магнитной гипертермии. На основе проведенных исследований были определены оптимальные составы наноструктурных композитов на основе феррита цинка, обладающие большими перспективами применения в магнитной гипертермии, а также обладающие устойчивостью к коррозионным процессам. Предложенные составы наноструктурных композитов могут составить достойную конкуренцию ферритным наноструктурам за счет высоких показателей удельной мощности поглощения, а также высокой скорости нагрева, а устойчивость к воздействию ионизирующего излучения (гамма – и электронного излучения) открывают перспективы использования данных наноструктурных композитов в качестве основы для совмещенной лучевой терапии и магнитной гипертермии. Полученные результаты формируют научную основу для целенаправленного проектирования ферритных нанокомпозитов с оптимальным балансом коррозионной устойчивости, биосовместимости и функциональной эффективности для биомедицинских приложений. Достоверность полученных результатов. Основные экспериментальные работы, связанные с изучением фазового состава и структурных особенностей (1-x)Fe3O4 – xZnO нанокомпозитов в зависимости от вариации соотношения компонент в составе были осуществлены в несколько параллелей с целью исключения ошибок измерений и установления погрешностей и величин стандартного отклонения. Проведение серии воспроизводимых экспериментов обеспечило репрезентативность выборки и позволило корректно оценить воспроизводимость и устойчивость выявленных структурных закономерностей. Определение фазового состава, а также ключевых структурных параметров исследуемых образцов нанокомпозитов, включая параметры кристаллической решётки, размеры областей когерентного рассеяния и степень кристалличности, осуществлялось с применением современных инструментальных методов анализа. Все эксперименты были проведены на стандартизированном и поверенном оборудовании с использованием лицензионного программного обеспечения. Эксперименты с клеточными структурами были выполнены в строгом соответствии с методическими рекомендациями и этическими нормами, принятыми для выполнения работ подобного профиля. Все процедуры подготовки образцов, проведения экспериментов и обработки результатов были направлены на обеспечение воспроизводимости, биологической безопасности и достоверности получаемых данных. Использование средств искусственного интеллекта, в частности, программного кода ChatGPT, было задействовано для визуализации данных литературного обзора и схематичного представления различных схем, диаграмм и методов исследования. Применение технологий искусственного интеллекта не оказывало влияния на получение первичных экспериментальных данных и не заменяло традиционные методы научного анализа, а служило инструментом повышения наглядности и структурированности представляемого материала. Личный вклад соискателя. Синтез нанокомпозитов на основе соединения феррита цинка с применением методов химического осаждения и механического перемалывания, а также отработка режимов получения нанокомпозитов при вариации изменения соотношения компонент, проведение экспериментальных работ, связанных с изучением кинетики деградации нанокомпозитов в модельных буферных растворах при различных температурных режимах, определение структурных и морфологических особенностей было выполнено соискателем самостоятельно на базе Лаборатории инженерного профиля Евразийского национального университета им. Л.Н. Гумилева и Лаборатории физики твердого тела Астанинского филиала Института ядерной физики. Эксперименты, связанные с изучением перспектив применения нанокомпозитов в магнитной гипертермии и определения цитотоксичности проводилось совместно с сотрудниками Научно-практического центра по материаловедению НАН Беларуси и Лаборатории нейтронной физики Объединенного института ядерных исследований. Все основные результаты экспериментальных работ, определение зависимостей и их интерпретации были выполнены соискателем совместно с научными консультантами. Связь работы с научно-исследовательскими проектами, программами. Работы, связанные с изучением кинетики фазовых трансформаций при вариации соотношения компонент в составе ферритных композитов, были выполнены в рамках реализации задач программно – целевого финансирования BR28713365 «Разработка технологических решений в области создания и модификации конструкционных материалов для ядерной и альтернативной энергетики» (срок реализации 2025-2027 гг.). Апробация работы. Основные результаты научных исследований, проводимых в рамках диссертационной работы, были представлены на международных научных конференциях: ‒ 11-й международной молодежной научной конференции «Физика. Технологии. Инновации», посвященная 75-летию основания Физико-технологического института (Екатеринбург, 2024); ‒ the 5th international scientific forum «Nuclear Science and Technologies» (Алматы, 2024); ‒ 11Ith international conference dedicated to the 80th birth anniversary of Academician B.S. Yuldashev «Modern Problems of Nuclear Energy and Nuclear Technologies» (Ташкент, 2025). Публикации. Основные результаты диссертационного исследования представлены в 6 научных трудах, из них 2 статьи опубликованы в журналах, индексирующихся в международных базах данных Web of Science, Scopus, одна статья из списков КОКСНВО, три тезиса, опубликованных в сборниках научных конференций. Структура и объем диссертационного исследования. Диссертационная работа включает введение, четыре раздела, заключение и список использованных источников. Диссертация представлена на 101 печатных страницах, включает 38 рисунков, 2 таблицы, 100 источников литературы. Введение содержит основную информацию об актуальности, цели и задачах диссертационного исследования, а также научной новизне, практической значимости и основных положениях, выносимых на защиту. В Первом разделе диссертационного исследования приведены результаты литературного обзора потенциала использования железосодержащих и ферритных наноструктурных композитов в различных отраслях, с упором на биомедицинское применение наночастиц. Основной упор в обзоре сделан на определение основных направлений развития применения магнитных наноструктур в биомедицине, включая гипертермию, интерес к которой заключается в расширении потенциала использования ферритных композитов, обладающих большей эффективностью в выделении тепла под действием внешних магнитных полей по сравнению с оксидом железа. Также приведены результаты обзора литературных данных токсичности и коррозионной стойкости магнитных наночастиц, играющих одну из ключевых ролей в определении потенциала применения и временных рамок возможности использования наночастиц. Второй раздел диссертации посвящен описанию основных методов характеризации исследуемых образцов, а также описанию экспериментальных работ, связанных с отработкой синтеза нанокомпозитов, оценке их устойчивости к воздействию модельных буферных растворов, определению цитотоксичности и эффективности применения в магнитной гипертермии, а также проведению экспериментов, моделирующих воздействие ионизирующего излучения на изменение процессов теплообмена и гипертермии. В третьем разделе отражены результаты оценки фазовых трансформаций в (1-x)Fe3O4 – xZnO нанокомпозитах при вариации соотношения компонент в составе. С применением методов растровой электронной микроскопии и рентгеноструктурного и рентгенофазового анализа проведено всестороннее изучение динамики фазовых изменений в образцах, а также определены основные соотношения, при которых формируются наиболее оптимальные составы нанокомпозитов для дальнейших исследований. Большое внимание в главе уделено изучению механизмов коррозии и деградации наноструктур при моделировании процессов взаимодействия их с модельным буферным раствором при различных температурных режимах. В четвертом разделе отражены результаты экспериментальных работ, связанных с изучением применимости (1-x)Fe3O4–xZnO нанокомпозитов в магнитной гипертермии, а также отражающие результаты оценки совокупного влияния ионизирующего излучения и модельных буферных растворов на изменение гипертермической эффективности нанокомпозитов и механизмы теплообмена. В Заключении подведены основные итоги проведенных исследований, а также отражены результаты экспериментальных работ с краткой интерпретацией и выводами.

Диссертация

Список научных трудов

Отзыв научного консультанта

Отзыв зарубежного консультанта

Заключение комиссии по этической оценке исследований

Отзыв официального рецензента

Отзыв официального рецензента