Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Первый этап проекта был направлен на получение экспериментальных данных о процессах необратимых структурных изменений в объеме нетканых материалов. Большая часть экспериментов проводилась на нетканых образцах, полученных методом электроспиннинга, в качестве основного полимера выступал полилактид (ПЛА) и полигидроксибутират (ПГБ). Исследования включали как оценку механических свойств образцов при однонаправленном растяжении, так и визуализацию микроструктуры на поверхности с помощью оптической микроскопии и в объеме с применением ультразвуковой микроскопии. После определения физико-механических свойств материала и выявления интервала деформаций, при которых на диаграмме нагружения наблюдаются точки перегиба и экстремумы, проводились ультразвуковые исследования образцов. Наблюдение за изменениями в объемной микроструктуре электропрядных материалов под действием растягивающих нагрузок в водной среде выполнялось на экспериментальном стенде, составленном из сканирующего импульсного акустического микроскопа и горизонтальной испытательной машины. Акустическая микроскопия на рабочей частоте 200 МГц обладает микронным разрешением и обеспечивает визуализацию на глубину 400 микрон (длина фокальной перетяжки акустической линзы на рабочей частоте 200 МГц) без смещения фокуса по толщине образца. Мы использовали классическую пошаговую методику, которая представляет собой визуализацию объекта при разных задаваемых деформациях на одном и том же образце. Выбранные удлинения образцов задавались горизонтальной испытательной машиной и выдерживались во время ультразвуковых исследований. Таким образом, ультразвуковые данные включают в себя томографические изображения объемной микроструктуры одного и того же образца при различных деформациях. В ходе ультразвуковой визуализации нетканых материалов было обнаружено изменение яркости и контраста волокон на изображениях. Ультразвуковые сканы формируются в виде растровых полутоновых изображений, где яркость пикселя определяется амплитудой сигнала, отраженного/рассеянного на каждом волокне. Диаметр волокон значительно меньше фокального пятна зондирующего ультразвукового луча (диаметр волокна порядка 5 мкм, размер фокального пятна около 20 мкм), поэтому все волокна, видимые на изображениях, отображаются в виде элементов с диаметрами, равными фокальному пятну, но с разной яркостью. Для выявления особенностей ультразвукового отображения волокон при растяжении было решено провести модельные эксперименты на одиночных волокнах и группах волокон, состоящих из 5-10 волокон в прядке. Первичный оптический мониторинг за одиночным волокном диаметром 5 мкм при растяжении показал формирование нескольких перешейков (утоньшение волокна) их рост и объединение, как результат двукратное уменьшение диаметра волокна по всей длине при растяжении. При ультразвуковой визуализации различия становятся видны во время механических испытаний. Из-за уменьшения диаметра волокна при растяжении снижается и амплитуда обратно рассеянных ультразвуковых сигналов, что приводит к падению яркости отображаемых волокон. Это означает, что волокна или локальные участки волокон меньшего диаметра должны отображаться на ультразвуковом изображении в виде элементов с меньшей яркостью. С другой стороны, упорядочение волокон вдоль оси нагружения, должно приводить к выпрямлению волокон и ориентации перпендикулярно пучку, что должно приводить к росту амплитуды рассеянного сигнала. Таким образом, был решено провести ряд дополнительных экспериментальных исследований по регистрации эхосигналов от одиночных тонких волокон, ориентированных нормально к оси зондирующего пучка, а также расположенных под разными углами относительно оси. Поэтому помимо экспериментальных исследований, проводилась аналитическая (теоретическая) оценка эффективности рассеяния ультразвука от тонких полимерных волокон. В ходе исследований изучено поведение каркасов ПЛА при упругих и пластических деформациях, основные закономерности которого можно сформулировать следующим образом: - при упругих деформациях размотанные волокна, сохраняя первоначальный диаметр и структуру, ориентируются вдоль оси растяжения. - когда большая часть растянутых волокон исходного диаметра вытянется вдоль нагрузки, наблюдается первый максимум на кривой нагружения и область упругих деформаций заканчивается. - линейная область на диаграмме нагружения начинается с падения нагрузки с материала за счет образования многочисленных перетяжек в волокнах. Нетканый материал становится разреженным, уменьшается диаметр волокна, увеличивается расстояние между волокнами. - максимальная нагрузка (второй максимум) возникает, когда большинство утоненных волокон ориентировано вдоль направления нагружения. Волокна испытывают нагрузку, близкую к пределу прочности. Образец теряет свою стабильность после разрыва многочисленных истонченных волокон. - последняя стадия удлинения соответствует удлинению и разрыву наиболее искривленных изначально волокон. Они держат нагрузку и ломаются один за другим. Последовательность упругой деформации и удлинения нетканых материалов (матриксов) играет важную роль в тканевой инженерии, прежде всего, для прогнозирования поведения клеток в условиях стресса. Изменение жесткости, пористости, ориентации волокон или образования шейки может существенно повлиять на адгезию, миграцию и дифференцировку клеток. Понимание свойств каркасов и их поведения дает нам возможность к регуляции дифференцировки клеток посредством механотрансдукции. Исследования и анализ процессов трансформации микроструктуры в объеме нетканых материалов с различной степенью жесткости сетки проводились на образцах ПГБ. Стоит отметать, что деформации при разрыве для нетканок из ПГБ составляет лишь единицы процентов. Зарождение и развитие повреждений и разрывов волокон протекает мгновенно, поэтому визуализация структуры проводилась часто, с малым шагом по деформации 0,5%. В результате экспериментов было показано, что высокопористая архитектура материалов с минимальным количеством связей между волокнами приводит к переориентации волокон в направлении нагрузки и их непрерывному удлинению при начальных этапах растяжения. Выпрямленные волокна, ориентированные вдоль оси нагрузки, были визуализированы на ультразвуковом изображении. На последнем этапе деформации (5,5%) в материале в результате множественных разрывов волокон образуются макроскопические полости (поры). Как показывает сравнение результатов для свободной и плотной укладки, увеличение связей между волокнами делает материалы более прочными и жесткими. Ультразвуковые изображения плотноупакованного материала, с большим количеством соединений волокно-волокно демонстрируют стабильность сетки разориентированных волокон при нагружении. Незначительное увеличение плотности упаковки волокон наблюдалось после начала нагружения (деформация 0,5%). Микроструктура из случайно ориентированных волокон наблюдалась на всех стадиях удлинения до тех пор, пока каркасы не теряли устойчивости (деформация 3,0%). Несмотря на то, что волокна из ПГБ имеет хрупкий характер разрыва, электропряденные материалы из них демонстрируют два различных механизма разрушения: плавное изменение структуры и разрушение, подобное разрыву. Эти механизмы зависели от количества межволоконных соединений. Минимальное количество волоконных соединений обеспечивало удлинение с образованием шейки. Шейка была вызвана свободной переориентацией волокон вдоль направления нагружения. Множественное соединение случайно ориентированных волокон имеет тенденцию к резкому разрыву - нетканый материал сохраняет свою жесткую сетчатую микроструктуру вплоть до разрушения. Результаты, полученные в ходе выполнения проекта, были представлены в качестве двух устных докладов на всероссийских конференциях. Данные о процессах деформации и трансформации микроструктуры в объеме нетканого материала с разориентированной укладкой волокон из полилактида были подготовлены и оформлены для публикации.