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 23-23-00334
НазваниеМагнитоэлектрические эластичные автономные композиты для биоэлектронных интерфейсов
РуководительКладько Даниил ,
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет ИТМО", г Санкт-Петербург
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2023 г. - 2024 г. |
Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах, 03-405 - Наноструктуры и кластеры. Супрамолекулярная химия. Коллоидные системы.
Ключевые словамагнитные композиты, магнитоэлектрики, магнитное поле, биоэлектроника
Код ГРНТИ31.00.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Биоэлектронные девайсы являются одной из наиболее динамичных областей современной науки и медицины, позволяющая создавать гибкие и эластичные интерфейсы для носимой электроники. Такие миниатюрные устройства могут применяться к наружным поверхностям и внутренним органам человека, создавая высококачественные интерфейсы между устройствами и тканями из-за их механической подобности полимерных и биологических материалов. Биомедицинские приложения таких девайсов, такие как медицинские носимые биосенсоры и имплантированные устройства, значительно помогают снизить затраты и улучшить качество жизни пациента. Несмотря на очевидные преимущества, данное направление науки страдает от недостатка новых материалов, которые одновременно могут обеспечить достаточную чувствительность устройства к биомеханическим стимулам, биосовместимость и автономную работу.
Ядром нашего проекта являются магнитные композиты на основе магнитотвердых ферромагнитных частиц без редкоземельных элементов, магнитоэлектрических частиц и эластомерных матриц, позволяющие создать девайс, удовлетворяющий вышеперечисленным критериям. Используя магнитоэластический эффект, основанный на изменении магнитного поля композита при (био)механическом воздействии, планируется создать автономный, чувствительный и биосовместимый эластичный девайс, позволяющий переводить биомеханическую энергию в электрическую посредством эласто-магнитоэлектрического преобразования внутри композита. Данное преобразование энергии позволит детектировать как биомеханические сигналы макроуровня (работа суставов, пульс, сердцебиение, дыхание и прочее), так и микроуровня (адгезия и рост клеток), позволяя создать универсальную платформу для биомониторинга. Более того, подобная платформа может быть интересна для нужд электронной кожи для имплантатов нового поколения и виртуальной реальности в рамках проектов по искусственной тактильной чувствительности.
Междисциплинарность проекта подчеркивается характером выполняемых работ, предусматривающих не только синтетическую направленность, но и создания экспериментально апробированной математической модели биоэлектронного девайса. Для этой цели создается молодой, междисциплинарный и амбициозный состав участников проекта. По результатам исследования планируется опубликовать не менее 3 статей преимущественно из списка Q1-Q0 (The J.Phys.Chem. Lett., J Mater Chem B, ACS Appl Mater Interf, Nano Letters и т.д).
Ожидаемые результаты
В проекте будут продемонстрированы инновационные подходы в области биоэлектроники, где впервые разрабатываются магнитоэлектрические эластичные автономные композитные материалы, способные к преобразованию биомеханической энергии в электрическую за счет эласто-магнитоэлектрического преобразования внутри композита. Более точно, планируется создать несколько типов композитов:
а) Композиты на основе магнитотвердых ферромагнитных частиц и эластомерной матрицы, в роле слоя-преобразователя будут использоваться фибриллы из жидкого металла (Ga, Ga-In). Схожая конструкция уже показала свою эффективность в качестве автономного биомеханического детектора (10.1021/acsnano.1c11350) и будет служить как контрольный образец. Кроме того, применение композита этого типа будет расширено на более тонкие биомеханические сигналы на уровне сфероидов, клеточных линиий и биопленок для биофизической характеризации и применении в умных имплантатах.
б) Композиты на основе магнитотвердых ферромагнитных частиц и эластомерной матрицы, в роле слоя-преобразователя будут использованы магнитоэлектрические частицы, состоящие из суперпарамагнитного ядра Fe3O4, и пьезоэлектрической оболочки на основе BaTiO3, которые, согласно литературным данным, обладают высоким магнитоэлектрическим коэффициентом. В таком случае при изменении магнитной индукции внутри композита биомеханическим воздействием будет индуцироваться локальный электрический потенциал.
в) Композиты на основе магнитотвердых магнитоэлектрических частиц, состоящие из магнитотвердого ядра и пьезоэлектрической оболочки на основе BaTiO3, что позволит уменьшить количество используемых материалов в разработке автономных биоэлектронных девайсов.
г) г) Композиты с увеличенной площадью поверхности, состоящая из магнитных наночастиц (магнитотвердые, магнитоэлектрических и их core-shell структур) и эластомера
Все типы магнитных композитов будут оттестированы на предмет детекции как биомеханические сигналы макроуровня (работа суставов, пульс, сердцебиение, дыхание и прочее), так и микроуровня (адгезия и рост эукариотических и биопленок), что в перспективе позволит создать универсальную платформу для биомониторинга.
К областям применения таких девайсов традиционно относят биомониторинг здоровья человека на основе концепции point-of-care, включая спортивную медицину, диагностику сердечно-сосудистых заболеваний, дыхательной системы. Кроме вышеперечисленных, в научной среде планируется расширить круг применений на искусственную кожу для мимикрии тактильных ощущений для пациентов с имплантатами, а также для формирования human-machine интерфейсов для дополненной и искусственной реальности.
Под данный проект собирается молодая и амбициозная команда, имеющая нужные компетенции для реализаций такой комплексной задачи. По результатам исследования планируется опубликовать не менее 3 статей, преимущественно из списка Q1-Q0 (The J.Phys.Chem. Lett., J Mater Chem B, ACS Appl Mater Interf, Nano Letters и т.д).
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
1) Мы создали наночастицы кобальта и сплава железо-кобальт, которые не содержат редкоземельных элементов и могут использоваться для производства более доступных композитов. Физико-химические свойства частиц были изучены с помощью различных методов, включая СЭМ, ПЭМ, СКВИД-магнитометрию и РФА. Кобальтовые наностержни проявили ферромагнитное поведение с высокой коэрцитивной силой, намагниченностью насыщения и остаточной намагниченностью.
2) Мы получили магнитоэлектрические частицы Fe3O4@FeBiO3, CoFe2O4@FeBiO3 и CoFe2O4@BaTiO3, в том числе core-shell структуры Fe3O4@FeBiO3 и CoFe2O4@FeBiO3, и охарактеризовали их свойства.
3) Мы изучили цитотоксичность синтезированных наночастиц. Чистые CoFe2O4 оказались значительно токсичными, но присутствие оболочки CoFe2O4@FeBiO3 снизило токсичность. Однако, использование данных наночастиц в тесном контакте с биологическими клетками ограничено. Мы также выявили более биосовместимые частицы Fe3O4 и Fe3O4@FeBiO3, которые могут использоваться для клеточных экспериментов.
4) Мы провели in silico дизайн магнитных композитов и выявили закономерности для оптимизации экспериментальных синтетических процедур. Мы установили геометрические закономерности для конструирования эффективных магнитоэлектрических нанокомпозитов.
5) Мы использовали машинное обучение для предсказания свойств магнитных наночастиц для применений в магнитной гипертермии и в качестве контрастирующих агентов в МРТ. Мы выявили ряд дескрипторов, позволяющих предсказывать свойства наночастиц с высокой точностью.
6) Мы создали магнитный композит, который позволяет неинвазивно оценивать простые биомеханические сигналы и передавать данные беспроводным путем на приложение в телефоне. Сенсор состоял из полидиметилсульфоксана и магнитных частиц NdFeB.
Публикации
1. Павел Ким, Никита Серов, Александра Фальчевская, Илья Шабалкин, Андрей Дмитренко, Даниил Кладько, Владимир Виноградов Quantifying the Efficacy of Magnetic Nanoparticles for MRI and Hyperthermia Applications via Machine Learning Methods Small, 2303522 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1002/smll.202303522