Sanu Bifal Maji kaitseb doktoritööd „Synthesis and luminescence investigation of nanoparticles doped with Pr³⁺ ions in selected fluoride and phosphate hosts“
13. novembril kell 12.15 kaitseb Sanu Bifal Maji doktoritööd „Synthesis and luminescence investigation of nanoparticles doped with Pr³⁺ ions in selected fluoride and phosphate hosts“ („Pr3+ ioonidega legeeritud nanoosakeste süntees ja luminestsentsi uuringud valitud laia keelutsooniga fluoriidsetes ja fosfaatses materjalides“).
Juhendajad:
professor Marco Kirm, Tartu Ülikool
materjaliteaduse teadur Alexander Vanetsev, Tartu Ülikool
Oponent:
professor Anatolijs Šarakovskis, Läti Ülikool (Läti)
Kokkuvõte
Valgus on inimkonna ajaloos pikka aega tähelepanu köitnud – mitte ainult oma ilu, värvide mängu tõttu looduses, vaid ka läbi praktiliste väärtuste nagu selle kasutamine ruumide valgustamisel pimedal ajal ja ka läbi selle tervendava potentsiaali poolest inimeste tervise parandamisel. Viimastel aastatel on teadlased näidanud, et teatud lainepikkusega valgust saab kasutada efektiivselt ühe karmima haiguse vähi vastu võitlemiseks. Minu doktoritöö annab oma panuse sellesse kiiresti arenevasse materjaliteaduse ja füüsika valdkonda, arendades ja otsides uusi haruldase muldmetalli praseodüümi ioonidega legeeritud fluoriidi ja fosfaadi nanoosakesi, mis kiirgavad nii ultraviolettkiirgust lainepikkustel 280– 200 nm (UV-C spektraalpiirkond) kui ka nähtavat valgust, kui nad neelavad ioniseerivat kiirgust, nagu näiteks röntgenikiirgust või laetud osakesi, mida kasutatakse kiiritusravis. Kõik see on tänu Pr3+ iooni energianivoode skeemile, mis katab nii ultravioleti kui ka nähtava spektraalpiirkonna ja seepärast on atraktiivsed väga erinevate rakenduste jaoks igapäeva elus. Need Pr3+ lisandiga laia keelutsooniga materjalide nanoosakesed on tähelepanuväärsed tänu võimele neelata kõrge energiaga footoneid või energeetilisi osakesi (elektronid, ioonid, jt) ning seejärel peale aset leidnud relaksatsiooni protsesse laia keelutsooniga materjalis uuesti kiirata footoneid ultravioleti ja nähtavas spektraalpiirkonnas hoolikalt kontrollitud lainepikkustel. Osa kiirgust vabaneb UV-C spektraalpiirkonnas, kus vähirakkude DNA neelab kiirgust kõige efektiivsemalt ja piisava doosi korral võib neid rakke piisavalt kahjustada, mis võib viia nende tõhusa hävitamiseni. Osa kiirgust vabaneb nähtavas spektraalpiirkonnas, mis on sobiv rakendamiseks fotodünaamilises teraapias (PDT), et aktiveerida selleks kasutatavaid spetsiaalseid ravimeid. See on ravi, mis tekitab toksilisi molekule ainult kasvaja rakkudes, säästes ümbritsevat tervet kude. Seega selliste materjalide kasutamine aitab tõsta laialt kasutatava kiiritusteraapiat efektiivust veelgi, säästes inimelusid ilma täiendavate oluliste investeeringuteta kiiritusravi tehnoloogiatesse. Veelgi põnevam leid on see, et nende materjalide struktuuri ja koostise peenhäälestamise abil saame luua strukturaalselt mitmefaasilisi materjale, kus Pr3+ ioonid kiirgavad samaaegselt nii UV-C spektraalpiirkonnas kui ka nähtavat valgust. Selline topelt-funktsionaalsus avab ukse kombineeritud ravile, kus UV-C valgus hävitab vähirakke otse neeldudes kasvaja DNA-s, samas kui nähtav valgus aktiveerib ravimipõhiseid ravimeetodeid. See on uue nutika tööriista disainimine, mis teab, millal midagi kahjustada (vähi DNA) ja millal panustada rakkude paranemisse. Nende materjalide valmistamiseks kasutati erinevaid sünteesimeetodeid. Fluoriidseid nano-osakesi, sealhulgas BaLuF5, BaGdF5 ja segafaasilisi BaLu2F8-BaLuF5 materjale, sünteesiti hüdrotermaalse meetodiga. Fosfaatsed LuPO4 nanoosakesed saadi solvotermaalse sünteesi abil, mille tulemuseks olid anisotroopsed osakesed väiksema ruumilise korrastatusega. Nende nano-osakeste 52 efektiivsuse kiirgusomaduste parandamiseks uuriti ka seda, kuidas temperatuuri mõjutusel tekkinud kristallstruktuuri muutused parandavad nende jõudlust sobivate kiirguste tekitamisel. Kasutades termilist lõõmutamist, oli võimalik vähendada materjalide defektsust, kasvatada nanoosakeste suurust ja seeläbi parandada nende kiirgusefektiivsust, muutes need eredamaks ja usaldusväärsemaks kiirguriks meditsiinilises teraapias ja muudes rakendustes. Erinevate materjalide võrdlemise ja süstemaatilise optimeerimise kaudu annab käesolev doktoritöö väärtuslikku teavet selle tehnoloogia kohta, kuidas disainida valgust kiirgavaid nano-osakesi, mis on kohandatud konkreetseteks meditsiinilisteks ja teisteks rakendusteks vastavalt vajadustele. Selliste luminestsentsuuringute teostamiseks laia keelutsooniga materjalides viidi läbi eksperimendid suurtes sünkrotronkiirguste keskustes nagu MAX IV Laboratoorium Lundis Rootsis ja PETRA III kogujaringil (DESY Photon Science keskuses) Hamburgis Saksamaal. Seal sooritatud ajalise lahutusega luminestsentsspektroskoopilised uuringud erinevatel temperatuuridel andsid olulise panuse fluoriidsete ja fosfaatsete materjalide elektroonset omaduste mõistmisel. Koos Tartus Füüsika Instituudis läbiviidud eksperimentaaluuringutega lõid need vajaliku baasi, et arendada uusi UV-C ja nähtava piirkonna kiirgureid Pr3+ ioonide baasil erinevate rakenduste jaoks ning kasvatada ka fundamentaalset arusaamist füüsikalistes protsessides nendes materjalides. Lõppkokkuvõttes viib see doktoritöö meid sammu lähemale tulevikule, kus kiirituspõhine vähiravi muutub efektiivsemaks, sihipärasemaks teatud tüüpi kasvajate osas ja tõhusamaks tänu erinevate toimemehhanismide samaaegsele kasutamisele. Neid nano-osakesi on võimalik ühel päeval manustada inimkehasse, sihiga jõuda kasvajarakkudeni ja kus need aktiveeritakse välise ioniseeriva kiirgusega. Nende eelis on toimida vaikselt ja täpselt inimkehas, ilma invasiivse kirurgia ohtude ja teiste karmide kõrvaltoimeteta nagu keemiaravis. See on näide kuidas füüsika, keemia, materjaliteadus ja meditsiin koos rakendavad valguse tervendavat jõudu.
