Метод лазерной проверки кератина на вредные примеси создают в ДВФУ

Ученые Дальневосточного федерального университета разрабатывают лазерный метод поиска вредных примесей в кератиновом сырье для биомедицины. Благодаря новому методу проверка станет быстрее и чувствительнее привычных химических тестов. Это обеспечит более строгий отбор биоматериала, снизит вероятность брака на следующих этапах и сделает готовое изделие безопаснее, сообщили в пресс-службе вуза.

Кератин — прочный структурный белок, который составляет основу волос и ногтей человека, а также шерсти, перьев, рогов и копыт животных. Для индустрии это доступный ресурс: после переработки его превращают в биоматериалы, которые затем используют в производстве косметики, удобрений, медицинских изделий и даже текстиля. Этот ценный материал не вызывает аллергии, со временем разлагается в тканях, способен останавливать кровотечение и даже доставлять антибиотики прямо к очагу воспаления. 

Качество и безопасность такой продукции напрямую зависят от чистоты исходного белка, и в массовом производстве обеспечить её непросто: шерсть, перья и прочие волокна, как губка, впитывают из окружающей среды тяжёлые металлы. Например, стронций химически близок к кальцию и потому занимает его место в тканях; свинец, ртуть, кадмий и мышьяк тоже способны задерживаться в структуре белка. Для косметики незначительные микропримеси могут быть допустимы, для медицинского изделия — нет.

Традиционные химические тесты, например масс-спектрометрия, точны, но требуют растворить образец, провести долгую подготовку и потратить дорогие реагенты. Результат приходит через часы, а то и дни. Кроме того, при очистке кератина методом диализа вместе с примесями теряется часть ценных высокомолекулярных компонентов. 

Ученые ДВФУ предлагают другой подход — фемтосекундную лазерную искровую спектроскопию. Короткий лазерный импульс длительностью в доли пикосекунды возбуждает на поверхности образца крошечное облако плазмы. Ее свечение регистрируют, а по набору спектральных линий определяют, какие химические элементы присутствуют в материале и в каком количестве. 

Проект находится на стыке медицины, оптики, физики и нейросетей: физика описывает поведение плазмы, оптика обеспечивает точную фокусировку и регистрацию спектра, медицина задает требования к чистоте биоматериала, а нейросетевые алгоритмы помогают автоматизировать процесс расшифровки спектров, что особо важно для применения в индустрии.

«Пробоподготовка при этом не требуется: анализ ведется непосредственно по волокну. Волос или шерсть можно анализировать практически в том виде, в каком они поступили. Лазерный метод позволяет сделать спектральный "снимок" за секунды, причем сразу по множеству элементов. Мы учимся читать этот отпечаток так, чтобы за линиями полезных цинка, меди или кальция не пропустить слабые следы мышьяка, кадмия или свинца», — рассказал руководитель преподаватель Департамента нефтегазовых технологий и нефтехимии Политехнического института ДВФУ Илья Ефимов.

Сложность в том, что кератин при нагреве лазером светится и создает помехи. К этому добавляются помехи от атмосферных газов вокруг образца. Чтобы их разделить, коллектив подбирает параметры лазерного воздействия: энергию импульса, длительность, геометрию фокусировки и время регистрации сигнала. Отдельное направление — двухимпульсное возбуждение, когда первый луч создает плазму, а второй, приходя с регулируемой задержкой, довозбуждает её. Такой прием позволяет усилить слабые линии тяжелых металлов, не разрушая образец полностью.

«Мы сравниваем, как ведет себя плазма при наносекундных и фемтосекундных импульсах, при разных длинах волн — от инфракрасной до ультрафиолетовой. Задача — найти режим, в котором сигнал примесей будет максимально контрастным. Нам важно, чтобы плазма была достаточно горячей для возбуждения тяжелых металлов, но при этом не разрушала образец полностью. Это тонкая настройка, которая в перспективе позволит проводить анализ прямо на производстве», — добавил Илья Ефимов.

Напомним, проект «Разработка высокочувствительного метода анализа примесей в кератиновом сырье для биомедицинского применения» выиграл грант Российского научного фонда. Сумма финансирования составила 4 миллиона рублей до 2028 года. Теперь в лаборатории аналитической лазерной спектроскопии Института наукоёмких технологий и передовых материалов ДВФУ будет создана экспериментальная установка с двухимпульсным возбуждением, которая сделает анализ еще точнее. 


Результатом станет лабораторный прототип системы входного контроля: автоматизированная проверка каждой партии на входе в технологическую цепочку позволит отсеивать несоответствия до того, как материал уйдет в переработку. Для производителей это означает меньше брака и более предсказуемые свойства готовых изделий, для потребителя —   уверенность в том, что основы для лекарств, шовные нити, пленки для заживления ран, импланты, шампуни, крема и другие изделия с содержанием   кератина будут сделаны из проверенного белка. А заодно — еще один шаг к отечественной технологии, которая не зависит от импортных реагентов и оборудования.

В 2024 году по отдельному поручению Президента России Владимира Путина Дальневосточный федеральный университет вошел в программу строительства кампусов мирового уровня в рамках национального проекта «Молодежь и дети». Вторая очередь кампуса ДВФУ будет включать новые общежития на 4000 человек. К 2030 году в стране появятся 25 новых кампусов университетов. Работу по данному направлению ведут Правительство Российской Федерации и Минобрнауки России.