КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 18-79-10176

НазваниеРазработка и создание технологических основ изготовления магнитоэлектрических смарт-композитов для контролируемого высвобождения лекарств

РуководительАмиров Абдулкарим Абдулнатипович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта", Калининградская обл

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2018 - 06.2021

Конкурс№30 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые словаумные устройства, смарт материалы, композиты, магнитоэлектрические материалы, мультиферроики, магнитокалорический эффект, магнитное охлаждение, магнитоэлектрический эффект, сенсоры

Код ГРНТИ29.19.16

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен получению и исследованию класса новых функциональных материалов, известных как «умные» (смарт) материалы, являющиеся одними из активно исследуемых и актуальных на сегодняшний день в материаловедении и современных технологиях. Смарт материалы с управляемыми свойствами востребованы в таких областях современной медицины как хирургия, тераностика, диагностика, имплантология для решения целого ряда практических задач. В качестве примера можно привести различные виды эндопротезирования (операции на сосудах, мочевыводящих и желчевыводящих протоках с использованием стентов, суставное протезирование и т.д.), а также многие полостные операции сопряжены с рисками инфекционных осложнений, травм, вызванных установкой имплантата, а также рестеноза (закупорка канала после установки стента). Для предотвращения подобных осложнений необходима адресная доставка биоактивных веществ (лекарственные вещества, противовоспалительные препараты, антипролиферативные агенты). В связи с этим актуальным становится вопрос контролируемого внешним воздействием высвобождения лекарственных веществ в определенном месте организма, в определенное время и в нужном количестве, что остается насущной потребностью в современной медицины. Кроме этого необходимо наличие обратной связи с устройством для контроля и управления процессом высвобождения лекарственных средств. Решение данной проблемы заключается в разработке функциональных композитных материалов обеспечивающих контролируемое освобождение биоактивных веществ, а также управление этим устройством с помощью магнитного и электрического полей. Предлагаемый продукт представляет собой композитный материал состоящий из термочувствительного полимера, выполняющего функцию носителя лекарств, слоя магнитного материала, который служит охладителем и пьезоэлектрической подложки, которая выполняет роль сенсора (управляющего слоя). Высвобождение лекарственных средств из термочувствительного полимера осуществляется путем его охлаждения за счет магнитокалорического эффекта, возникаемого в магнитном слое композита при приложении магнитного поля. Внешнее управление композитным материалом осуществляется через магнитоэлектрический эффект, индуцируемым взаимодействием между слоями композита. Управление состоянием покрытия имплантатов (высвобождение действующего субстрата, обратная связь, контроль) осуществляется путем воздействия постоянных (переменных) магнитных и электрических полей. Задачами проекта являются изготовление смарт-композитов с прогнозируемыми свойствами, получение в нем управляемого магнитокалорического и магнитоэлектрического эффектов, что позволит в итоге применить в качестве основы функционирования полученного умного устройства. Реализация проекта поможет в создании новых смарт устройств с контролируемыми магнитными и магнитоэлектрическими свойствами, которые могут быть применены в различных областях современной медицины

Ожидаемые результаты
1. Будет разработана технология изготовления «умных» композитных материалов с управляемыми посредством магнитного и электрического полей свойствами. 2. Будет продемонстрирован управляемый электрическим полем магнитокалорический эффект. 3. Будут исследованы магнитоэлектрические свойства композитов и продемонстрирован взаимный контроль магнитных и электрических свойств. 4. Будет разработана методика управляемого сброса лекарственных средств с магнитоэлектрических композитов за счет магнитокалорического и магнитоэлектрического эффектов. 5. В случае успешной реализации проекта планируется патентование продукта научной деятельности Полученные результаты будут востребованы и интересны не только для прикладных решений, но полезны для решения некоторых фундаментальных задач из области исследования магнитокалорического эффекта в материалах с магнитоструктурным фазовым переходом. В частности, реализация управляемого магнитокалорического эффекта поможет в решении проблемы необратимости и деградации магнитокалорического эффекта в циклических магнитных полях. Исследование роли магнитоэлектрического взаимодействия в мультикалорическом эффекте, как новому направлению в области калорических эффектов, также будет интересно с точки зрения решения фундаментальных научных задач. С практической точки зрения, развитие методов и технологий получения «умных» материалов с управляемыми магнитными и магнитоэлектрическими свойствами позволит использовать их не только в медицине, но технике в качестве новых сенсоров, датчиков, генераторов и преобразователей с управляемыми магнитным и электрическим полем свойствами. Более того получение функциональных материалов с новыми управляемыми параметрами позволит их использовать на стыке различных современных технологий. В качестве примера можно привести использование композитов для MEMS-микроохладителей, в которых требуется локальное охлаждение микросенсоров и актюаторов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
На основе проведенных расчетов были получены, исследованы структура и особенности магнитных свойств магнитоэлектрических SMART композитов двух типов: 1) слоистые, представляющие собой слой магнитокалорического сплава Fe48Rh52 толщинами 50-150 нм, напыленного на керамическую пьезоэлектрическую подложку цирконата- титаната свинца PZT 2) Гибкие полимерные композиты FeRh/PVDF и GdGeSi/PVDF, состоящие из магнитокалорических микрочастиц Fe50Rh50 и Gd5Ge1.6Si2.4 разведенных в пьезополимерной матрице полифинилденфторида (PVDF) в массовых соотношениях от 2 до 40 %. Были отработаны технологические условия получения объемных образцов сплавов Fe-Rh и пленочных композитов на их основе для получения образцов с наиболее характерными и оптимальными для данных материалов магнитными характеристиками и более резким видом магнитного фазового перехода. Так, экспериментальным путем было установлено, что оптимальным протоколом получения пленок FeRh является напыление из раздельных мишеней Fe и Rh на разогретую до 500 С подложку PZT. Для объемных сплавов FeRh был получен протокол термообработки, позволяющий получить образцы с наиболее резким магнитным переходом и узким гистерезисом в области комнатной температуры. Была разработана методика получения гибких полимерных магнитоэлектрических композитов на основе магнитокалорических микрочастиц, детально исследованы их структура и основные физические характеристики. Предварительные эксперименты на образцах с массовыми долями магнитной фазы 2 и 12 % показали наличие магнитоэлектрического взаимодействия в области магнитного фазового перехода магнитокалорической компоненты композита, что может быть использовано для функционализации разрабатываемых «умных» композитов.

Публикации

1. А.А. Амиров, В.В. Родионов, В. Команицки, В. Латышев, Е.Ю. Канюков, В.В. Родионова Magnetic phase transition and magnetoelectric coupling in FeRh/PZT film composite Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 479,287-290 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.01.079

2. И.А. Старков, А.А. Амиров, А.С. Старков On thermodynamic description of finite-size multiferroics Materials Research Proceedings, 9, 167-173 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.21741/9781644900017-32

3. - Проект физика БФУ им. И. Канта по персонализированной медицине стал победителем Президентской программы РНФ web сайт, 16.07.2018 (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Проведены исследования магнитных и магнитокалорических свойств SMART композитов различной конфигурации (слоистые, смесевые) и типа пьезоэлектрической компоненты (керамическая, полимерная) под действием магнитного и электрического поля. Обнаружена взаимосвязь магнитных и магнитокалорических характеристик композитов c их магнитоэлектрическими свойствами, а также зависимость от величины прикладываемого на пьезоэлектрическую компоненту электрического напряжения : 1) В полимерных магнитоэлектрических композитах Gd-Si-Ge/PVDF в области магнитного перехода магнитной компоненты Gd-Si-Ge 305 К обнаружены максимумы изменения магнитной энтропии, сопровождающиеся максимумами магнитоэлектрического коэффициента. 2) На примере «толстых» двух (Fe-Rh/PZT) и трех (PZT/ Fe-Rh/PZT) слойных композитов, изготовленных склеиванием соответствующих магнитных Fe49Rh51 (0,25 мм) и пьезоэлектрических ЦТС 19 (0,4 мм) пластин показана возможность управления намагниченностью магнитного слоя через электрическое напряжение поданное на соответствующие пьезоэлектрические слои. Более эффективное управление электрическим напряжением наблюдается в случае трехслойной компоновки. Результаты эксперимента подтверждены результатами численного моделирования. 3) Эксперименты по управлению магнитокалорическим эффектом через электрическое поле в слоистых магнитоэлектрических композитах различной конфигурации показали, что более эффективное управление температурой перехода и калорическими параметрами достигается в случае пленочных композитов, изготовленных методом магнетронного распыления магнитокалорического слоя (100 нм) на пьезоэлектрическую подложку. Общий объем выполненных работ позволяет предположить о возможности управления магнитокалорическими свойствами магнитного материала путем изготовления соответствующих магнитоэлектрических композитов с подбором физических параметров компонент, их типа и протокола приложения магнитных и электрических полей.

Публикации

1. А.А. Амиров, И.А. Барабан, А.А. Грачев, А.П. Каманцев, В.В. Родионов, Д.М. Юсупов, В.В. Родионова, А.В. Садовников Voltage-induced strain to control the magnetization of bi FeRh/PZT and tri PZT/FeRh/PZT layered magnetoelectric composites AIP Advances, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1063/1.5130026

2. Андраде В.М., Амиров А., Юсупов Д., Пиментел Б., Барокка Н., Пирес А.Л., Бело Ж.Х., Перейра А.М., Валенте М.А., Арауджо Ж.П., Рейс М.С. Multicaloric effect in a multiferroic composite of Gd5(Si,Ge)4 microparticles embedded into a ferroelectric PVDF matrix Scientific Reports, 9,18308 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1038/s41598-019-54635-8

3. Макоед И.И., Амиров А.А., Леденев Н.А., Пащенко А.В., Янушкевич К.И. Predicted model of magnetocaloric effect in BiFeO3-based multiferroics Solid State Sciences, 95,105920 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2019.06.009

4. Макоед И.И., Амиров А.А., Леденев Н.А., Пащенко А.В., Янушкевич К.И., Якимчук Д.В., Канюков Е.Ю. Evolution of structure and magnetic properties in EuxBi1−xFeO3 multiferroics obtained under high pressure Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 489,165379 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.165379

5. - «Умный» композит позволит сделать имплантаты многозадачными Интернет портал Indicator.ru, - (год публикации - )

6. - Smart materials are becoming smarter Интернет портал www.eurekalert.org, - (год публикации - )

7. - «Наука стала привлекательнее для молодежи, я жалею, что мне не 25» Проект #Явнауке, - (год публикации - )

8. - Smart Materials Are Becoming Smarter Сайт Балтийского федерального университета им. И. Канта, - (год публикации - )

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Модифицированы технологические протоколы получения новых магнитоэлектрических композитов на основе пьезоэлектрических полимеров и отработана техника нанесения слоя из термочувствительного полимера на магнитоэлектрические композиты. Проведены комплексные исследования магнитоэлектрических свойств композитов с полимерной пьезоэлектрической компонентой и определены амплитудные и резонансно-частотные характеристики для магнитоэлектрического коэффициента по напряжению. Разработана и изготовлена экспериментальная вставка, позволяющая в in situ режиме наблюдать за процессами перехода в слое термочувствительного полимера в магнитном поле. С помощью, разработанной in situ методики продемонстрирована возможность обратимого управления состоянием термочувствительного полимера через магнитокалорический эффект. На примере смарт композитов на основе магнитных материалов с прямым (Gd) и обратным (Fe-Rh) магнитокалорическими эффектами показано, что обратимый фазовый переход в слое термочувствительного полимера PNIPAM в области температуры 32 С из гидратированного (гелеобразного) состояния в дегидратированное (сморщенное) может быть индуцирован за счет магнитокалорического эффекта путем включения (выключения) магнитного поля заданной величины. Предложенная концепция может быть использована для дизайна новых смарт композитов путем подбора типа магнитокалорических материалов и термочувствительных полимеров. Разработан и изготовлен лабораторный макет для измерений магнитокалорического и магнитоэлектрического эффектов в магнитном поле 1,45 Т. Предложенное решение позволяет демонстрировать заявленные смарт эффекты: -Управление свойствами термочувствительного полимерного слоя PNIPAM смарт композита через магнитное поле (функция «сброс лекарства»). -Генерация электрического напряжения в пьезоэлектрическом слое SMART композита в магнитном поле (функция «сенсор»). Процесс управления экспериментом автоматизирован с помощью программной среды LabWIEV.

Публикации

1. Амиров А.А. Modern trends in studies of multicaloric materials Chelyabinsk Physical and Mathematical Journal, - (год публикации - 2021) https://doi.org/10.47475/2500-0101-2021-16106

2. Амиров А.А., Кугини Ф., Каманцев А.П., Готшаль Т.,Сольжи М., Алиев А.М., Спичкин Ю., Коледов В.В., Шавров В.Г. Direct measurements of the magnetocaloric effect of Fe49Rh51 using the mirage effect Journal of Applied Physics, 127,233905 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1063/5.0006355

3. Амиров А.А., Юсупов Д.М., Соболев К.В. Polymer Fe-Rh / PVDF multicaloric composite Letters on Materials, 11 (2), 213-217 (год публикации - 2021)

4. Родионов В., Амиров А., Аннаоразов М., Лахдеранта Э., Грановский А., Алиев А., Родионова В. Thermal hysteresis control in Fe49Rh51 alloy through annealing process Processes, - (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/pr9050772

5. - Физики в режиме реального времени показали возможность управления свойствами «умных» полимеров с помощью магнитного поля сайт Российского Научного Фонда, - (год публикации - )

6. - Ученые доказали эффективность нового метода измерения температуры перспективных материалов сайт Российского Научного Фонда, - (год публикации - )

7. - Физики БФУ им. И. Канта доказали эффективность нового метода измерения температуры «умных» материалов Сайт Балтийского федерального университета, - (год публикации - )

8. - Ученые доказали эффективность нового метода изменения температуры перспективных материалов ИТАР ТАСС, - (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
Полученные в ходе выполнения проекта результаты могут быть востребованы для развития технологий создания новых умных композитных материалов не только биомедицинского применения, но и могут быть использованы в различных отраслях народного хозяйства и промышленности. Разработанные подходы и технологические протоколы могут быть применены для развития технологий создания новых перспективных материалов и усовершенствования производимой продукции Оригинальные методы исследования свойств материалов, предложенные в ходе выполнения проекта и использованные технические решения могут способствовать формированию технологического задела в современном приборостроении.