Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В результате работ, проведенных в 2021 году, были разработаны методики синтеза трикальцийфосфата и диопсида. Получены частицы трикальцийфосфата размером менее 300 нм методом соосаждения, кальцинация проведена при температуре 800℃ в течение 5 часов. Частицы диопсида получены золь-гель методом с окислительно-восстановительными реакциями с использованием глицина в качестве топлива. Размер частиц менее 350 нм, кальцинация проведена при температуре 1100℃ в течение 6 часов. Проведена характеризация частиц методами SEM-EDX, TEM, XRD, FT-IR, TG. По результатам исследований получены частицы трикальцийфосфата со средним размером частиц 192 ± 29 нм, и диопсида - 156 ± 48 нм. С применением методик термического разложения и соосаждения металлосодержащих прекурсоров синтезированы наночастицы (НЧ) CoFe2O4, находящиеся в диапазоне размеров 10 – 150 нм. Методика термического разложения позволяет получать НЧ, обладающие агрегативной стабильностью в неполярных органических растворителях, тогда как НЧ, получаемые методом соосаждения, стабильны в водных средах без необходимости дополнительной функционализации их поверхности органическими лигандами. Агрегативная стабильность НЧ в различных средах необходима для равномерного распределения НЧ в формируемых на последующих этапах работы композиционных материалах. С помощью электронной микроскопии показано, что в реакциях термического разложения, в отличие от соосаждения, получаемые НЧ являются монодисперсными и обладают ярко выраженной кубической морфологией. Рентгеноструктурный анализ доказал образование чистой фазы феррита кобальта, тогда как результаты магнитометрии показали, что с увеличением среднего размера НЧ, значения удельной намагниченности образцов возрастают по экспоненциальному закону до значений, предсказанных для объемного материала (JS = 80 А·м2·кг-1). Все полученные образцы НЧ являлись ферромагнетиками. Однако для образцов ФК-1 и ФК-с практически отсутствовали коэрцитивная сила и остаточная намагниченность, что предотвращает магнитные диполь-дипольные взаимодействия между отдельными НЧ и, в конечном итоге, их агрегацию, которая негативно сказывается на значениях ILP в магнитной гипертермии. Экспериментальное исследование и сравнение эффективности магнитных НЧ в экспериментах по МЖГ осуществлялось по показателю ILP – удельный коэффициент поглощения электромагнитной энергии нормированный на частоту и напряженность ВПМП. Полученные результаты явно свидетельствуют о превосходстве образцов ФК-1 и ФК-с с размерами НЧ в диапазоне 11 – 13 нм над образцами всех других типов. Несмотря на то, что суммарный магнитный момент НЧ других образцов был выше, чем для образцов ФК-1 и ФК-с, значение ILP достоверно не отличалось от нуля. Ввиду высокой остаточной намагниченности и в результате сильных диполь-дипольных взаимодействий, крупные НЧ склонны формировать агрегаты, которые не удается стабилизировать в полярных/неполярных средах. Учитывая тот факт, что вклад броуновской релаксации становится более важным с увеличением размера НЧ, иммобилизационный эффект отрицательно сказывается на значения ILP. Полученные значения ILP для образцов ФК-1 и ФК-с составили ~ 0.8 и 1.7 нГн·м2·кг-1, что является высоким показателем, сравнимым с аналогичными показателем для наилучших НЧ, известных из литературы (∼2 нГн·м2·кг-1), и говорит о высоком потенциале синтезированных образцов в экспериментах по МЖГ. Отработаны способы получения образцов полилактида двумя различными методами, предполагающими различные условия кристаллизации: экструдирование (температура камеры экструдера 180 ºС) и литьё из раствора (растворитель – дихлорметан, 10 мл на 1 г ПЛА). Часть полученных образцов отжигали при 130 ºС в течение 30 минут с целью регулирования кристалличности. Анализ методом ДСК показал, что процесс стеклования, необходимый для реализации ЭПФ, наблюдается только у экструдированного неотожжённого образца. Данный образец является преимущественно аморфным (степень кристалличности 1,6 %), в то время как остальные образцы имеют степень кристалличности от 34 % и выше. Исследования надмолекулярной структуры методами АСМ и СЭМ показали явное различие аморфной и кристаллической структур. На поверхности кристалличного образца видны упорядоченные области и элементы надмолекулярной структуры – ламели, в то время как аморфный образец характеризуется равномерной поверхностью без структурных элементов. ЭПФ полилактида с различной кристалличностью оценивался при помощи U-shape теста. Он показал, что лучший результат при фиксации временной и восстановлении первоначальной формы продемонстрировал образец ПЛА, полученный методом экструдирования без отжига – аморфный образец. При этом прослеживается зависимость – ухудшение способности восстанавливать первоначальную форму с увеличением степени кристалличности образца. Исследование аморфного полилактида методом ДМА показало, что при нагреве образца сначала происходит релаксация напряжений и постепенный переход полимера в вязкоупругое состояние. При температурах выше 50 °С кривая напряжений делает скачок до значений 1,2 МПа, что характеризует восстановление формы. При этом кривая деформации показывает, что форма начинает восстанавливаться при 60 °С. Отработаны методы получения сверхвысокомолекулярного полиэтилена в изотропном и ориентированном (с большей кристалличностью) состоянии методами термопрессования и плунжерной экструзии с последующей термоориентацией лент соответственно. Ориентация СВМПЭ приводит к изменению положения пика плавления в соответствии с результатами ДСК. В ходе визуализации морфологических особенностей поверхности изотропного СВМПЭ отмечена ламелярная структура, в то время как ориентированный СВМПЭ характеризуется ориентированной поперёк длины ленты ламелярной структурой. Были подготовлены и опубликованы 2 статьи в журнале Polymers [Q1, IF=4.329]: https://doi.org/10.3390/polym13142367 и https://doi.org/10.3390/polym13091408

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В результате работ, проведенных в 2022 году, были разработаны методики получения объемных образцов композиционных материалов на основе полимеров полилактида (ПЛА) и сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) с добавлением полученных в первый год реализации проекта частиц диопсида и феррита кобальта (CoFe2O4, ФК-с) в различных концентрациях – 1, 5 и 10 % масс. Материалы на основе ПЛА (Ingeo 4032D, NatureWorks LLС) были получены методом литья из раствора, из СВМПЭ (GUR 4113, Celanese) – методом термопрессования. Получение композиционных материалов различными методами приводит к образованию различной структуры за счет разных условий кристаллизации. Для частиц диопсида и ФК-с предварительно были проведены исследования на цитотоксичность и гемолитическую активность. В ходе работы было установлено, что инкубация клеток mAD-MSC с исследуемыми частицами в течение 24 ч не вызывает явного цитотоксического эффекта. Однако культивирование данных клеток с диопсидом вызывает снижение уровня выживаемости при измерениях при помощи MTS-реагента, в то время как число погибших клеток, выявленных при помощи LDH-теста, лишь незначительно выше при инкубации в концентрации 1000 мкг/мл как для диопсида, так и для кобальтового феррита. В процессе анализа гемолитической активности было установлено, что инкубация клеток крови с исследуемыми частицами в течение 10 мин не вызывает гемолиза эритроцитов. Однако культивирование данных клеток как с частицами ФК-с, так и с диопсидом в концентрации 1000 мкг/мл в течение 24 часов приводило к двукратному увеличению гемолиза. Таким образом, оба типа частиц являются нетоксичными в широком диапазоне концентраций (вплоть до 500 мкг/мл) при исследованиях ex vivo. Структурные характеристики композиционных материалов на основе ПЛА, полученных разными методами, были исследованы с использованием дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) и сканирующего электронного микроскопа (СЭМ). При экструзии происходит быстрое охлаждение расплавленного полимера, образуется преимущественно аморфная структура. Степень кристалличности экструдированного ПЛА составляет 1,6 %. Микроструктура таких материалов характеризуется развитым микрорельефом за счет вытравливания аморфной фазы. С увеличением количества наполнителя в композите увеличивается степень кристалличности полимерной матрицы, при этом в надмолекулярной структуре появляются упорядоченные области. Направленность элементов структуры, вероятно, образовалась при вытяжке расплава и намотке на бобину, а также за счет быстрой кристаллизации. При отжиге экструдированных образцов кристалличность полимерной матрицы значительно увеличивается и, следовательно, происходят изменения в надмолекулярной структуре. В процессе перекристаллизации количество ламелей увеличивается, они располагаются более равномерно, а также появляются зоны зарождения сферолитов. Такое перераспределение структурных элементов затрудняет фиксацию временной формы и восстановление первоначальной. При получении композиционных материалов методом литья из раствора кристаллизация происходит медленнее за счет испарения растворителя, при этом стеклянная посуда выступает в качестве подложки, что способствует кристаллизации полимера и образованию более развитой сферолитной надмолекулярной структуры. При увеличении количества наполнителя степень кристалличности увеличивалась, что приводило к увеличению размера и количества сферолитов в композитах с ФК-с. В случае с диопсидом микроструктура оставалась малоразвитой и выражалась в большом количестве центров зарождения сферолитов (зоны схождения ламелей). Материалы с такой структурой плохо поддавались программированию эффекта памяти формы. По результатам СЭМ композиционных материалов на основе СВМПЭ с содержанием диопсида 1, 5 и 10 % масс. может быть сделан вывод об ориентировании образцов при одноосном растяжении, это подтверждается на всех составах композиционных материалов. Прослеживается наличие упорядоченной структуры с единичными элементами, под воздействием электронного пучка происходит выжигание остаточной аморфной фазы с раскрытием сферолитоподобной структуры. На микрофотографиях образцов СВМПЭ с содержанием диопсида 1 % масс. выражено прослеживается ламеллярная структура, которая была выявлена при увеличении ускоряющего напряжения с 2 кВ до 6 кВ. Материал до одноосного растяжения имеет разнонаправленную ламеллярную структуру с возможной ориентацией по границе среза, тогда как после растяжения по краям образца наблюдается упорядоченная вытянутая структура, которая ближе к центру переходит в поперечную. Толщина выявленных ламелей лежит в диапазоне 20-40 нм. В результате изучения изображений образца СВМПЭ с 1 % ФК-с без ориентирования была обнаружена неупорядоченная ламеллярная структура с характерными толщинами ламелей порядка 200 нм. С увеличением количества наполнителя объем ламеллярных областей увеличивается. Ориентированный образец СВМПЭ с 1 % ФК-с демонстрирует микроструктуру с неупорядоченной надмолекулярной ламеллярной структурой. При увеличении наполнителя до 5% масс. наблюдаются области, где ламели упорядочены вдоль направления ориентирования. Однако при большом количестве наполнителя (10% масс.), несмотря на принудительное ориентирование образца, ламели не упорядочены. Эффект памяти формы (ЭПФ) композиционных материалов на основе ПЛА оценивался с помощью U-shape теста. Было выявлено, что все экструдированные образцы хорошо принимают временную форму и восстанавливают первоначальную, за исключением ПЛА, содержащего 10 % диопсида или ФК-с. Такие материалы показывают неполное восстановление формы при хорошей фиксации временной, что связано с высокой кристалличностью вследствие большого количества наполнителя. При отжиге экструдированных образцов с диопсидом степень кристалличности значительно повышалась, а образцы хрупко разрушались при деформации. На пластинках ПЛА, содержащих диопсид и ФК-с, полученных методом литья из раствора до и после отжига, при фиксации временной формы появлялся залом, при этом даже при значительной степени кристалличности наблюдалось восстановление формы. Эти данные показывают, что сферолитная структура при высокой степени кристалличности обеспечивает лучшую фиксацию и восстановление формы, так как кристаллические области концентрируются точечно. Однако ПЛА с содержанием ФК-с более 1 % подвержен хрупкому разрушению. Исследование ЭПФ предварительно деформированных образцов проводили методом динамического механического анализа (ДМА) для экструдированных образцов, которые поддавались растяжению. Было выявлено, что при увеличении концентрации диопсида в ПЛА температура начала восстанавливаемой деформации увеличивалась, в то время как с увеличением массовой доли ФК-с в матрице ПЛА температура начала восстанавливаемой деформации уменьшалась. Для всех образцов характерен процесс релаксации при постепенном нагреве образцов, что характеризовалось падением графика напряжений в сторону отрицательных значений. Анализ показал, что наибольшие напряжения возникают при содержании в ПЛА 5 % масс. диопсида и достигают 5,1 МПа. Эти данные хорошо соотносятся с результатами U-shape теста, где именно этот состав лучше всего восстанавливал форму. Для композиционных материалов ПЛА/ФК-с значение реактивных напряжений возрастала с увеличением массовой доли частиц и при максимальной концентрации наполнителя достигали 3,6 МПа. Были подготовлены и опубликованы 4 статьи в журнале Polymers [Q1, IF=4.207] https://doi.org/10.3390/polym14193932 и https://doi.org/10.3390/polym14245374, Biomaterials Advances [Q1, IF=8.457] https://doi.org/10.1016/j.msec.2022.112680 , European Polymer Journal [Q1, IF=4.598] https://doi.org/10.1016/j.eurpolymj.2022.111694

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В результате работ, проведенных в 2023 году, композиционные материалы на основе полилактида (ПЛА) с такими наполнителями, как наночастицы феррита кобальта (CoFe2O4, ФК) и частицы диопсида, в количестве 1, 5 и 10 % масс., были исследованы на цитотоксичность с использованием мультипотентных мезенхимальных стромальных клетках (ММСК), выделенных из жировой ткани мыши. Обнаружено, что вытяжки из образцов не проявляют краткосрочной и долгосрочной цитотоксичности и не влияют на пролиферацию клеток. Также, была оценена гемолитическая активность композиционных материалов с использованием 10%-ной эритроцитарной взвеси, полученной из цельной крови мышей линии Balb/c. Было показано, что вытяжки из образцов не способствуют гемолизу, за исключением композиционного материала на основе полилактида, содержащего 10 % масс. частиц феррита кобальта. При инкубации эритроцитов с ПЛА + 10%ФК гемолиз составил 4 %. Была исследована возможность удаленной активации ЭПФ композиционных материалов на основе ПЛА с использованием высокочастотного переменного магнитного поля за счет магнитных наночастиц феррита кобальта (НЧ СoFe2O4, ФК), которые могут нагревать полимер изнутри. Для этого была разработана методика получения образцов композиционных материалов на основе ПЛА с частицами феррита кобальта, где образцы были изготовлены в виде параллелепипедов размером 10 х 6 х 12 мм методом FDM 3D-печати. Такая форма и метод обусловлены необходимостью использования объемного образца с высокоповторяемыми геометрическими характеристиками. Подготовленные образцы были продеформированы на 20 % по высоте и помещены в кювету генератора высокочастотного переменного магнитного поля TOR UltraHT (амплитуда магнитного поля H = 9,6 кА·м-1 и частота f = 261 кГц). Таким образом была проверена возможность нагрева и активации ЭПФ в магнитном поле. Было выявлено влияние скорости нагрева от количества наполнителя. Композиционный материал с 1 % масс. CoFe2O4 нагревался медленнее всего – за 300 секунд он нагрелся примерно на 10 °C, так и не достигнув температуры активации ЭПФ. ПЛА/CoFe2O4 (5 % масс.) показал среднюю скорость нагрева 15 °C/мин, после достижения 60 °C можно было наблюдать увеличение высоты образца. Композиционный материал с 10 % масс. CoFe2O4 нагревался быстрее всего, скорость нагрева составила примерно 84 °C/мин, Для достижения температуры активации ЭПФ (59,5 °C) понадобилось всего 35 секунд. Лучшее восстановление формы демонстрируют образцы из композиционного материала с содержанием 5 % масс. CoFe2O4 – 94,06 %. В ходе работы была оценена возможность исследования надмолекулярной структуры в процессе реализации ЭПФ. Изучена надмолекулярная структура образцов композиционного материала ПЛА/1%ФК, полученных методами экструзии и литья из раствора. Методами ДСК и РФА оценена степень кристалличности материалов в исходном состоянии, временной и восстановленной форме, и после отжига при 130 ℃ в течение 30 минут. Степень кристалличности литых образцов оказалась выше (17,2%; ДСК) чем экструдированных (7,6%; ДСК). Во временной форме степень кристалличности увеличивается, а при восстановлении уменьшается. Отжиг при температуре холодной кристаллизации приводит к значительному увеличению степени кристалличности: 57,6% для экструдированного образца (РФА) и 51,6% - литого (РФА). Методом ПОМ на литых образцах обнаружены кристалличные области, представляющие собой радиальные сферолиты со средним размером 20 мкм. После отжига степень кристалличности увеличивается до 44,0 % (ДСК) и более явные сферолиты уже можно наблюдать с помощью СЭМ, а поляризационная микроскопия показывает увеличение размера сферолитов примерно до 100 микрон. В надмолекулярной структуре во временной форме отмечаются процессы кавитации (характерны только для экструзии) и крейзинга (для двух методов), при котором происходит упорядочение структурных элементов вдоль оси приложения напряжений. При восстановлении и переходе в исходное состояние трещины «самозалечиваются». Для активации, визуализации и количественных измерений ЭПФ в полимерных материалах внутри СЭМ в режиме operando разработано миниатюрное испытательное устройство – Shape Memory Measurer v1.0 (SMMer v1.0). Оно состоит из четырех основных узлов – каркас, привод, нагревательный элемент, измерительная ячейка. Также разработаны специализированный переходник – газоплотный (непроницаемый) фланец для передачи управляющих сигналов и считывания усилий, температуры и положения подвижной траверсы внутри камеры СЭМ и захваты с оптимальной геометрией. Была подобрана оптимальная геометрия образцов, адаптированная под размеры захватов устройства SMMer v1.0 и оптимизирована методика травления образцов для выявления микроструктуры. Кроме того, были созданы макросы для синхронизации и автоматизации испытаний и получения изображений высокого разрешения. Были проведены термомеханические испытания образцов ПЛА разной природы в камере СЭМ с одновременным получением изображений до и после нагрева, а также снятием зависимости возникших усилий при активации ЭПФ при нагреве. При нагреве отмечается сокращение образцов без значительного изменения структуры. Продемонстрировано сходство в поведении материалов с разными наполнителями при нагреве: максимум усилия растет прямо пропорционально концентрации наполнителя. Оperando растяжение волокна СВМПЭ проведено с помощью испытательного устройства Deben MT 1 kN внутри СЭМ Тескан Вега. Действительные деформации определялись методом корреляции цифровых изображений (КЦИ) с испытательным устройством с помощью программы DICe с открытым исходным кодом. Кажущаяся энергия активации ЭПФ в композиционных материалах была оценена с помощью ДМА. Были проанализированы динамический модуль упругости (G’) и модуль потерь энергии (G”), при изменении температуры. При добавлении в состав диопсида G’ увеличивается в 2 и более раза, то есть композиционный материал проявляет более упругое поведение. При этом наблюдается дополнительная область, связанная с межкристаллической деформацией, вызванной увеличением степени кристалличности за счет наполнителя. Пик G” также увеличивался в интенсивности, но со смещением в сторону меньших температур. Композиционный материал ПЛА/1%ФК показывал поведение, похожее на композиционные материалы с диопсидом, демонстрируя дополнительную область межкристаллических деформаций. Экструдированный образец ПЛА/10%ФК из-за повышенной степени кристалличности ломался при индентировании при низких температурах. G’ для ПЛА/5%ФК показал дополнительные перегибы кривой, которые могут быть вызваны локальной релаксацией напряжений, образованных при получении материала, и связанными с этим движениями цепей полимера. Для расчета кажущейся энергии активации ЭПФ были получены кривые зависимости tanδ для различных значений частоты. Значение кажущейся энергии активации в случае ПЛА/ФК возрастало по мере увеличения доли наполнителя, то есть для преодоления барьера начала процессов релаксации требуется больше энергии. Для композиционных материалов ПЛА/диопсид (1 и 5 % масс.) значение кажущейся энергии активации возрастает относительно чистого ПЛА. Для композита ПЛА/диопсид (10 % масс.) величина становится значительно меньше. Вероятно, это связано с высокой долей кристаллической фазы, вследствие которой материал уже плохо фиксирует временную и восстанавливает форму.