Ученые БФУ имени Иммануила Канта выяснили, что полимерное покрытие позволяет улучшить структуру и свойства магнитоэлектрических композитов, применяющихся в медицине для доставки лекарств, а также при создании имплантатов и искусственных тканей. Так, модификация полимером способствует равномерному распределению компонентов композита, а также повышает его пьезоэлектрические свойства на 40%. Это значит, что материал быстрее накапливает электрический заряд после механического воздействия. Такая способность может использоваться, например, для стимуляции роста и развития клеток в искусственных тканях. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Magnetism and Magnetic Materials.
Композиты, обладающие одновременно магнитными и электрическими свойствами, широко применяются в медицине, например, для доставки лекарств, при создании искусственных тканей и имплантатов. Кроме того, эти соединения используют в качестве катализаторов в химической промышленности. Примером такого композита служит материал на основе магнитных наночастиц из феррита кобальта и поливинилиденфторида — фторсодержащего полимера, имеющего пьезоэлектрические свойства, то есть способного накапливать электрический заряд в ответ на механическое воздействие. При этом электрические и магнитные характеристики композита определяются не только свойствами его компонентов, но и их структурой и взаимным расположением. Однако данных о том, может ли покрытие наночастиц дополнительными материалами, модифицирующими их структуру, повлиять на строение и свойства композитов, еще недостаточно.
Ученые из Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта исследовали, как модификация наночастиц феррита кобальта водорастворимым полимером полиэтиленгликолем влияет на свойства композита. Для этого физики выдерживали наночастицы в растворе полиэтиленгликоля в течение часа, а затем удаляли излишки полимера. Модифицированные наночастицы ученые растворяли с порошком поливинилиденфторида, готовую смесь разливали по формам и высушивали до получения пленок. Также авторы аналогичным образом получили композиты, в которых наночастицы не обрабатывали полимером.
Исследование структуры материалов показало, что немодифицированные наночастицы часто агрегируют, то есть «слипаются», в результате чего композит становится неоднородным: в нем образуются области с большим скоплением частиц и лишенные их промежутки. Модификация полиэтиленгликолем способствовала равномерному распределению наночастиц в матрице поливинилиденфторида. Так, площадь поверхности композита, лишенная частиц, снизилась с 16% до 1%, а размер агломератов из слипшихся частиц уменьшился на 39%.
Модифицированные композиты сохранили как магнитные, так и пьезоэлектрические свойства, характерные для исходного материала. Более того, обработка полиэтиленгликолем усилила способность накапливать электрический заряд при механическом воздействии композита на 40% за счет изменений в его микроструктуре. Таким образом, модифицированный композит быстрее реагировал на механическое раздражение. Разработанные материалы потенциально могут использоваться в регенеративной медицине. Так, создаваемые ими в ответ на давление электроимпульсы могут стимулировать деление клеток в составе искусственных тканей и имплантатов.
«В рамках дальнейшего исследования мы планируем углубленно изучить механизмы взаимодействия полимерного покрытия с компонентами магнитоэлектрических композитов. В будущем эти материалы могут стать ключевым элементом в создании интеллектуальных имплантатов и биоэлектронных систем, способных взаимодействовать с живыми клетками на молекулярном уровне. Возможности применения разработанных композитов откроют новые горизонты в регенеративной медицине, позволяя создавать самообновляющиеся искусственные ткани. Эти работы прокладывают путь к медицине будущего, где технологии и биология объединяются для достижения невиданных ранее высот в лечении и восстановлении здоровья человека», — рассказывает Виталий Сальников, лаборант-исследователь НОЦ «Умные материалы и биомедицинские приложения» Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта.