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 проекта 21-13-00111

НазваниеФотоотверждаемые биосовместимые материалы на основе полимеризующихся ионных жидкостей и модифицированных нановолокон целлюлозы для 3D-печати

Руководитель Смирнов Михаил Александрович, Кандидат химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение "Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" , г Санкт-Петербург

Конкурс №55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-301 - Синтез и химические превращения макромолекул

Ключевые слова Композитные материалы, 3D-печать, целлюлоза, ионные жидкости, компьютерное моделирование, наноматериалы

Код ГРНТИ31.25.19

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Проект направлен на поиск и разработку методов регулирования механических характеристик композитных материалов, получаемых с использованием технологии 3D-печати. С этой целью будут разработаны и использованы новые фотоотверждаемые составы. Фотоотверждение - трехмерная фотополимеризация, при которой используются светочувствительные молекулы для изменения свойств материала. В наиболее типичном случае воздействие света (в основном УФ или ИК) заставляет светочувствительные смолы или фотоинициаторы формировать сшитые полимерные структуры, что приводит к изменениям характеристик материала. Идея фотополимеризации не нова и восходит к 1940-м годам. Недавние научные достижения в области полимеризации, материаловедении и потенциал применения фотоотверждения в области 3D-печати привели к очень быстрому росту интереса к этой тематике, особенно в последние 5 лет. Развитие 3D-печати - один из ключевых драйверов в этом процессе: это быстро развивающаяся технология с широким спектром применений от тканевой инженерии до биомедицинских устройств, протезирования, стоматологии и создания различных сенсоров и актуаторов. Один из конкретных примеров перспективного применения 3D-печати - создание медицинских изделий, таких как костные, зубные или суставные импланты, которые спроектированы индивидуально под конкретного пациента. 3D-печать может выполняться быстро, по доступной цене и локально без использования крупномасштабных производственных мощностей. Актуальность разработки материалов и подходов для реализации вышеуказанных технологий является основной мотивацией для выполнения данного проекта. Преимуществом фотоотверждения является его универсальность при разработке материалов с высокой степенью контроля механических, термических, оптических и химических свойств. Данный подход можно использовать для разработки и создания умных материалов, реагирующих на различные стимулы. Ключом к достижению таких целей является разработка полимерных материалов, которые позволяют включать различные светочувствительные инициаторы полимеризации. Данное исследование фокусируется на материалах на основе бактериальной наноцеллюлозы, модифицированной полиакриловой кислотой, кремнийорганическими и другими соединениями. Большое количество поверхностных гидроксильных групп на поверхности бактериальной целлюлозы делает ее перспективным объектом для химической модификации. По сравнению с другими полимерами бактериальная наноцеллюлоза имеет преимущество в том, что она биосовместима, что делает ее привлекательной для применения в медицине. И, что очень важно, она обладает выдающимися механическими свойствами, которые имеют решающее значение для таких применений, как, например, искусственные суставы. Контроль механических характеристик будет осуществляться за счет изменения характера и интенсивности взаимодействий между целлюлозными нановолокнами и матричным акриловым полимером; акриловый мономер служит здесь фотоотверждаемым компонентом. Изменение взаимодействий будет достигнуто путем модификации поверхности нановолокон целлюлозы двойными связями, ионогенными группами, содержащими анионы или катионы. Наполнитель (модифицированные нановолокна целлюлозы) в составах будет стабилизирован с использованием ионных жидкостей или глубоких эвтектических растворителей, которые способны разрушить иерархическую супрамолекулярную структуру целлюлозы вследствии возможности формирования развитой сети водородных связей между молекулами растворителя и целлюлозы. Помимо тканевой инженерии, другой важной областью применения разрабатываемых материалов является так называемая мягкая робототехника, в частности медицинская робототехника. Мягкая робототехника - одна из наиболее быстро развивающихся областей, и ее основная цель - разработать роботов, обладающих гибкостью и мягкостью тканей живых организмов. Основные проблемы данной области заключаются в разработке материалов с желаемыми механическими свойствами и гибкой электроникой. Внимание данного проекта сосредоточено на первом. В этой ключе проект направлен на решение проблемы производства легких и биосовместимых материалов на основе бактериальной целлюлозы для таких изделий как, бионические протезы, рассмотренные выше, “мягкие” медицинские инструменты, а также легкое и малотравматичное оборудование для робототехники, предназначенное для манипуляций с хрупкими предметами. Данные изделия требуют разработки роботизированных компонентов на основе эластичных полимеров или гелей с механическими свойствами, близкими к свойствам живых тканей. 3D-печать с использованием бактериальной целлюлозы в перспективе может дать материал с такими свойствами. Бактериальная целлюлоза - это возобновляемый полимер, получаемый путем биосинтеза и характеризующийся уникальным набором физико-химических свойств и надмолекулярной структуры. В частности, надмолекулярная организация делает бактериальную целлюлозу идеальным объектом для использования в качестве основного материала для создания высокопрочных нановолокон. Доступные для модификации поверхностные гидроксильные группы на нановолокнах, позволяют регулировать взаимодействие нановолокон друг с другом и с матричным полимером в композите, что позволит создавать материалы с заданными физическими свойствами. В рамках проекта обработка и модификации бактериальной целлюлозы будет производиться с использованием ионных жидкостей и их “зеленых” аналогов - глубоких эвтектических растворителей на основе холина. Насколько нам известно, наш междисциплинарный экспериментально-теоретический подход уникален и, скорее всего, является первым в своем роде в этой области. Моделирование ранее использовалось для определения распределения напряжений в скаффолдов различной формы, но определение молекулярных взаимодействий и использование этих знаний для улучшения свойств композитов, получаемых с помощью аддитивных технологий является совершенно новым подходом в этой области. Подобный подход ранее с большим успехом использовался руководителем проекта при разработке светочувствительных липосом для транспорта и высвобождения противораковых лекарств (Nature Comms. 5, 3546 (2014)). В рамках данного проекта теоретические исследования с использованием крупномасштабного молекулярно-динамического моделирования in-silico позволят нам определить механизмы влияния супрамолекулярных структур, формирующихся в исследуемых системах, на реологические свойства, а также механизмы взаимодействия между наполнителем и матричным полимером в композитах, производимых с помощью 3D-печати.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---