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 23-72-01012

НазваниеИсследование свойств магнитных интеллектуальных материалов для био-медицинских приложений

РуководительМусихин Антон Юрьевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2023 - 06.2025 

Конкурс№84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые словаМагнитные жидкости, магнитореологические свойства, композитные материалы, модуль упругости, магнитные эластомеры, феррогели

Код ГРНТИ29.17.31, 29.03.77

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен теоретическому исследованию реологических и магнитореологических свойств композитов, состоящих из несущих полимерных сред и внедренных в них нано- и микроразмерных магнитных частиц. В последние, примерно, десять лет эти многофункциональные интеллектуальные материалы активно синтезируются и исследуются во всем мире, благодаря богатому набору уникальных физических свойств, важных для современных и перспективных промышленных и медико-биологических приложений. Одной из интересных и важных, как с общенаучной, так и с практической точки зрения, свойств этих систем является их способность сильно, вплоть до нескольких порядков величины, менять свои реологические свойства, а также форму и размеры под действием внешнего магнитного поля. Несмотря на накопленный обширный экспериментальный материал, фундаментальная связь между наблюдаемыми макроскопическими явлениями и эффектами на микроскопическом, а также мезоскопическом (соответствующем размеру агрегатов, образованных частицами) уровнями практически не вскрыта и не понята. Необходимость физического понимания и установления этой связи обуславливает актуальность исследования. Уникальное сочетание свойств обуславливает применение магнитных интеллектуальных материалов в современных биомедицинских разработках: отрабатываются методы использования этих систем для направленного транспорта лекарственных препаратов в нужную часть организма и фиксации их в этом месте; лечение тромбозов, чему будет посвящено данное исследование; разрабатываются методы создания искусственных мышц и биологических тканей, что открывает новые перспективы, как в робототехнике, так и в трансплантологии и регенеративной медицине (Bock, Acta Biomaterialia,2010; Bonhome-Espinosa, Soft Matter, 2017; Gila-Vilchez C., Ph. Trans. of the Royal Society A, 2019). Целью данного проекта является теоретическое исследование структурно-фазовых превращений в полимерных и жидких магнитных композитах, представляющих особый интерес с точки зрения их практического использования, объяснение, на основе микроскопического анализа, экспериментально наблюдаемых, но не объясненных явлений в этих системах; создание моделей, позволяющих предсказывать влияние коллективных межчастичных взаимодействий и структурных превращений в ансамблях частиц на особенности макроскопических свойств и особенностей поведения исследуемых систем, их динамического отклика на меняющееся внешнее магнитное поле. Существенно новым является теоретическое описание структурирования магнитных частиц в упругом полимере под действием магнитного взаимодействия между ними. Новым также является анализ магнитомеханических явлений в феррогелях, в которых во время полимеризации без внешнего поля частицы наполнителя агрегируются, что значительно усиливает магнитореологические характеристики этих материалов. В работе будет рассмотрена задача об индуцировании вращающимся магнитным полем циркуляционных потоков в жидкой среде, содержащей каплю феррожидкости. Оценки показывают, что эти потоки могут существенно интенсифицировать транспорт лекарств в тромбированных кровеносных сосудах. Идея использования магнитоиндуцированных циркуляционных течений для терапии инсультов и тромбозов была предложена и запатентована в 2012 [Creighton F. M. —U.S. Patent №8308628]. Несмотря на перспективность этого подхода, работ по изучению таких течений на сегодняшний момент очень мало. В заключение нужно подчеркнуть новизну и актуальность данного проекта. В первую очередь, проект имеет междисциплинарный характер, связывающий сразу несколько областей физики и химии, а учет в нем магнитных явлений, насколько это представляется, придает ему уникальности. Во-вторых, этот проект является логическим продолжением изучения магнитных интеллектуальных материалов и основывается на важных результатах в изучении полимеров, коллоидов и магнитных наночастиц, достигнутых в таких направлениях как физическая химия и физика конденсированного состояния.

Ожидаемые результаты
Теоретическая и прикладная значимость результатов работы состоит в развитии научной основы применения магнитных интеллектуальных материалов. Благодаря своим свойствам магнитополимерные композиты могут быть использованы в интеллектуальных приложениях, таких как искусственные мышцы или контролируемая доставка лекарств и клеток, магнитоуправляемые герметизаторы и уплотнители, усилители механического напряжения в химической и горной промышленности, в вакуумных технологиях, в робототехнике, в металлургии, в космической промышленности. Все это дает большие инженерные преимущества по сравнению с использованием традиционных материалов. Ожидаемы результаты за два года проекта: 1. Будет развита модель, описывающая экспериментально наблюдаемые нелинейные зависимости одноосных напряжений в магнитном полимере от соответствующих деформаций под действием внешнего магнитного поля. Модель позволит рассчитывать зависимости модулей вязкоупругости, а также напряжений от внешнего магнитного поля. 2. Планируется дать теоретическое объяснение экспериментально наблюдаемой убывающей зависимости упругих характеристик мягких композитов от концентрации внедренных жестких частиц. 3. Разработать теоретические модели, включающие в себя силы упругого сопротивления несущей среды, а также модели, описывающие индуцированное полем структурирование частиц в полимеризованном композите в отсутствие поля. 4. Выяснить, как влияют внутренние структурные превращения на макроскопические реологические свойства материала, нелинейную зависимость макроскопического вязкоупругого напряжения от величины деформации образца. 5. Предстоит разработать модель, описывающую движение частиц феррожидкости под действием неоднородного вращающегося магнитного поля и индуцированные ими потоки внутри канала, заполненного ньютоновской жидкостью. Полученные значения скорости и смещения жидкости будут сравниваться с таковыми, необходимыми для эффективной доставки лекарства к тромбам в реальной ситуации. 6. Будет вычислена амплитуда магнитного поля, создаваемого соленоидами внутри канала, моделирующего кровеносный сосуд. 7. Будет установлено оптимальное начальное распределение облака феррожидкости (в виде функции Гаусса или ступенчатой функции). 8. Будет подобрана конфигурация расположения магнитов, создающих неоднородное вращающееся магнитное поле в канале, таким образом, чтобы увеличить скорость циркуляционных течений, следовательно, увеличить темп распространения лекарства в сосуде. 9. Будет рассчитана продольная компонента течения феррожидкости в канале как функция от переменного неоднородного магнитного поля из уравнения Навье-Стокса с учетом магнитных сил. Как итог, разработанные модели позволят качественно и количественно объяснить магнитореологические эффекты в магнитных композитах, что может быть полезно для дальнейших исследований в этой области. Более мягкие магнитные гели или жидкие полимеры предназначены для решения биоинженерных и медицинских задач – выращивания и регенерации биологических тканей с требуемыми свойствами, адресной доставки лекарств; они активно применяются в различных методах биосенсорики. Тромбирование кровеносных сосудов, являются очень распространенным и трудно излечимым заболеванием, часто приводящим к летальным исходам. Лечение такого заболевания, как правило, требует больших финансовых затрат и длительного времени, в том числе, требуемого для восстановления организма пациента. Проблема обостряется общим повышением возраста населения и, обусловленным этим, увеличением числа заболеваний кровеносной системы жителей развитых стран, в том числе, России. Поэтому важной и актуальной является задача развития новых, в том числе физических, методов повышения эффективности лечения этого заболевания, разработка и исследование новых методов адресной доставки лекарств. В ходе работы над проектом будет изучен новый метод адресной доставки лекарств в необходимое место организма (тромбированные участки кровеносных сосудов). Это позволит уменьшить необходимость в традиционных открытых хирургических вмешательствах, следовательно, уменьшить риск послеоперационных осложнений и летальных исходов, уменьшить время лечения и повысить комфортность лечения для пациентов. Возможность, на основе полученных результатов, перехода к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта, а также развивать новые медико-биологические технологии, позволяющие решать сложные задачи современного здравоохранения, составляет потенциальный вклад проекта в экономику и социальную сферу России.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
За прошедший год отчетного периода было выполнено два этапа проекта, один из которых был посвящен развитию теоретической модели динамического отклика систем взаимодействующих однодоменных ферромагнитных частиц в жидких средах. Рассмотрены системы с однородным пространственным расположением частиц. Анализ проводился на основе уравнений Фоккера-Планка для функции распределения (плотности вероятностей) по ориентациям магнитных моментов частиц. В зависимости от морфологии расположения частиц, величины энергии их магнитного взаимодействия и магнитной анизотропии, было выбрано приближение, позволяющее найти адекватное решение этого уравнения. Проанализировано влияние взаимодействия частиц и их кластеризации, амплитуды магнитного поля на характеристики динамического отклика композита на внешнее поле. Используя это решение, был найден средний (измеряемый) магнитный момент частицы. Другой этап посвящен разработке теоретической модели магнитоиндуцированных циркуляционных течений в канале, моделирующем тромбированный кровеносный сосуд. Рассмотрена плоская щель с шириной 1-2мм (диаметр кровеносных сосудов, тромбирование которых опасно для здоровья и жизни человека). В канале находится несущая немагнитная жидкость, в которую инжектировано облако магнитной жидкости с пространственно неоднородным распределением магнитных частиц. Один из концов щели закрыт непроницаемой стенкой (тромбом). Было изучено влияние конфигурации магнитного поля на течения в канале, а также рассматривалась реология несущей среды в виде воды. Воздействие на систему переменного градиентного поля обеспечено приложенными к каналу двух соленоидов, работающих по разным тригонометрическим законам. Исследования, проведенные в данной работе и в предыдущих, позволят определить оптимальную конфигурацию магнитного поля и других физических характеристик системы для практического применения магнитного метода интенсификации растворения тромба. Для исследования этих течений сформулированы макроскопические уравнения динамики намагничивающейся жидкости, с учетом антисимметричных напряжений, возникающих вследствие действия на частицы магнитных моментов сил, заставляющих вращаться эти частицы. Вращение частиц генерирует течения жидкости в непосредственной близости к ним. Если частицы однородно расположены в пространстве щели, эти течения жидкости взаимно компенсируются. При неоднородном распределении магнитной фазы возникает декомпенсации потоков, приводящая к макроскопическому циркуляционному течению жидкости. Основная задача проводимого исследования была в разработке математических методов учета существования стенки, моделирующей тромб. Результаты показали, что при реалистических параметрах системы скорость конвективного магнитоиндуцированного течения может на два порядка превосходить темп диффузионного распространения примеси в тромбированном кровеносном сосуде, что говорит о возможности существенной интенсификации транспорта тромболитиков. Мы полагаем, что полученные результаты дают подробное физическое понимание механизмов генерации магнитоиндуцированных течений в кровеносных каналах, позволяющих интенсифицировать транспорт тромболитиков к тромбу.

 

Публикации

1. А.Ю. Мусихин, А.Ю. Зубарев К проблеме магнитоиндуцированных циркуляций в тромбированных каналах Известия Российской академии наук. Серия физическая, Изв. РАН. Сер. физ. № 10, том 88 (год публикации - 2024)

2. Мусихин А.Ю., Зубарев А.Ю. Циркуляционный поток в феррожидкости в тромбированном канале (Circulation flow in ferrofluid in a thrombosed channel) -, 2023661774 (год публикации - )