Разработан новый сверхлегкий материал для защиты от нейтронного излучения

Международный коллектив ученых из Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Петербургского института ядерной физики имени Б.П. Константинова, Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН и Института физики твердого тела (Будапешт, Венгрия) разработал новый сверхлегкий материал на основе кластерных анионов бора и аэрогеля диоксида кремния. Такие аэрогели способны эффективно поглощать нейтронное излучение, нетоксичны и перспективны для защиты пациентов и медицинского персонала в ходе проведения борнейтронзахватной терапии онкологических заболеваний. Результаты работы опубликованы в журнале ACS Applied Nano Materials.

Развитие современных способов лечения сложных онкологических заболеваний, в первую очередь борнейтронозахватной терапии, требует не только создания новых эффективных терапевтических препаратов, но и средств защиты здоровых тканей пациентов. В основе борнейтронозахватной терапии лежит насыщение раковых клеток изотопами бора-10 и облучение опухоли пучком нейтронов. При столкновении нейтрона с ядром бора-10 происходит ядерная реакция, которая убивает опухолевую клетку. Однако ввиду объективных причин облучить только злокачественное новообразование невозможно, и здоровые ткани также неизбежно подвергаются действию нейтронного излучения, что приводит к их поражению.

Для защиты здоровых тканей необходимо создание эффективных средств защиты, которые должны удовлетворять ряду требований. Они должны эффективно замедлять эпитепловые нейтроны, используемые при облучении (с этим хорошо справляются атомы водорода), а также поглощать уже замедленные нейтроны (для этого можно тоже использовать атомы бора-10) и, что немаловажно, они должны быть очень легкими и нетоксичными, чтобы не доставлять дополнительных неудобств пациентам, и так находящихся в очень тяжелом состоянии.

Ученые из России и Венгрии синтезировали материал, способный поглощать нежелательное для здоровых органов нейтронное излучение, и проанализировали его свойства на двух источниках нейтронов. «В отличие от широко применяемых на практике средств нейтронной защиты на основе металлических пластин или полимерных композитов, новый материал – борилированный аэрогель – обладает крайне низкой плотностью (всего 80 мг/см3, что в 12 раз меньше плотности воды), легко формуется и не проявляет токсических свойств. Новый материал отвечает и другим требованиям к специализированным средствам защиты – находящиеся в составе аэрогеля молекулы воды служат для замедления нейтронов, а атомы бора их полностью поглощают. При этом содержание бора в материале достаточно мало, всего около 1%, что заметно ниже, чем в известных аналогах (до 40–45%). Высокую эффективность материала удалось обеспечить благодаря очень равномерному распределению атомов бора по объему аэрогеля. Для этого мы синтезировали новое соединение, содержащее очень стабильный кластер из 10 атомов бора, и кремний-органический якорь, которым мы химически пришили кластер к аэрогелю из оксида кремния. Интересно, что глубина проникновения нейтронов в аэрогель из немодифицированного диоксида кремния и в борилированный аэрогель, в котором всего 1% бора, различается примерно в 300 раз. Если для нашего материала она составляет 1–10 см, то для обычного аэрогеля – 3–40 м», – прокомментировал работу заведующий Лабораторией синтеза функциональных материалов и переработки минерального сырья ИОНХ РАН, кандидат химических наук Александр Баранчиков.

Полученные данные позволят в дальнейшем разработать эффективные отечественные нейтронозащитные материалы для медицины и промышленности.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант 19-73-20125).