Российские ученые совместно с коллегами из Бразилии и Португалии разработали новый композитный материал, способный менять температуру и размеры под действием магнитного и электрического полей. Благодаря этим свойствам и безопасности для организма «умные» материалы могут использоваться для изготовления имплантатов или покрытий для них, одновременно выполняющих роль сенсоров. Статья опубликована в журнале Scientific Reports.

Композиты — новый вид материалов, состоящих из разнородных веществ (металлов, керамики, стекла, пластмассы, углерода и так далее) и способных сочетать их свойства. Например, в пластичную основу — матрицу — помещают наполнитель, обладающий необходимой прочностью и жесткостью. Разнообразные составы и соотношение матриц и наполнителей позволяют создавать широкий спектр материалов с нужным набором свойств. Это открывает огромные перспективы для их применения, от строительства и энергетики до медицины и космических исследований. На сегодняшний день одними из самых многообещающих и перспективных «умных» материалов для биомедицинских приложений являются полимерные композиты.

Ученые из Балтийского федерального университета имени И. Канта и Института физики имени Х. И. Амирханова Дагестанского федерального исследовательского центра РАН совместно с зарубежными коллегами применили такой подход в разработке «умных» материалов для новых биоимплантатов. Идея авторов заключается в том, чтобы кроме выполнения основной функции имплантат работал как сенсор (то есть измерял температуру и другие показатели тела пациента в реальном времени), а также в нужное время и в нужном количестве высвобождал необходимое лекарство. Для этого ученые подбирают сочетание материалов, обладающее необходимыми свойствами. В недавно опубликованном исследовании они изучили свойства композита на основе магнитных микрочастиц соединения гадолиния, кремния и германия Gd₅(Si,Ge)₄, встроенных в матрицу из поливинилденфторида (PVDF).

PVDF — гибкий и биосовместимый (то есть не оказывающий отрицательного воздействия на организм) полимер, который используется как шовный материал в хирургии. Кроме того, он обладает пьезоэлектрическими свойствами (при растяжении или сжатии на нем появляется электрическое напряжение — прямой пьезоэффект, а при подаче напряжения он начинает менять свои размеры — обратный пьезоэффект), благодаря которым с успехом применяется в сенсорах. Ученые использовали этот полимер и для создания новых магнитоэлектрических материалов, таких как композитные мультиферроики. Они обладают магнитными и сегнетоэлектрическими свойствами, которые взаимоуправляемы, то есть их электрическими свойствами можно манипулировать через магнитное поле и, наоборот, магнитными — через электрическое. Такие характеристики поливинилденфторида позволяют рассматривать его в качестве основы для покрытия имплантатов, а возможно, и самих имплантатов.

«Новизна нашего подхода — в использовании необычных магнитных частиц в качестве наполнителя в пьезополимерной матрице. Наряду с магнитными свойствами они обладают еще и магнитокалорическим эффектом, то есть меняют свою температуру под действием магнитного поля. Магнитокалорические материалы — перспективные соединения для создания альтернативных систем охлаждения, или, проще говоря, “магнитных холодильников”. Недавно было предложено использовать их для биомедицинских приложений, –– рассказал один из исследователей, старший научный сотрудник Лаборатории новых магнитных материалов БФУ Карим Амиров. –– Для изготовления магнитоэлектрических “умных” композитов в полимер PVDF, растворенный в органическом растворителе диметилформамида, добавляют и однородно распределяют магнитокалорические частицы. Потом смесь сушат по отработанному температурному и временному протоколу. В результате получается гибкая пьезополимерная пластинка заданной формы со встроенными магнитными частицами, которая довольно легко режется ножницами».

Таким образом, использовав новые магнитные частицы с магнитокалорическим эффектом, ученые получили новый «умный» композит с двумя совмещенными эффектами — магнитоэлектрическим и магнитокалорическим. Первый позволяет использовать полимерный композит как сенсор, чувствительный и к магнитному, и к электрическому полю. Второй эффект дает возможность применять материал как нагревательный или охлаждающий элемент при изменении магнитного поля.

Источник