Ученые Балтийского федерального университета провели эксперимент, в котором в режиме реального времени показали возможность управления свойствами «умного» полимерного композита с помощью магнитного поля. В будущем это может быть использовано для создания имплантатов с контролируемым выбросом лекарств.
«Переключение» свойств полимера ПНИПАМ, нанесенного на подложку Fe-Rh, через магнитное поле. Сверху — ПНИПАМ при температуре выше 32°C. Снизу — поле включено, ПНИПАМ переходит в гелеобразное состояние. Источник: Карим Амиров
Термочувствительные полимеры относятся к классу «умных» материалов, которые при нагреве или охлаждении меняют свои физико-химические свойства. Среди них наиболее перспективен поли-N-изопропилакриламид, или ПНИПАМ, впервые синтезированный в 1950-е годы. При температуре, близкой к температуре человеческого тела (выше 32 градусов Цельсия), он переходит из набухшего гидратированного состояния в «сморщенное», вытесняя около 90 процентов содержащейся в нем жидкости. Это потенциально позволяет применять его для направленного транспорта лекарственных средств с управляемым высвобождением.
Ранее группа под руководством Александра Тишина, профессора Кафедры общей физики и физики конденсированного состояния МГУ имени М.В. Ломоносова, предложила использовать ПНИПАМ в качестве покрытия медицинских имплантатов. Исследователи наносили термочувствительный полимер на подложку из магнитокалорического материала, который меняет свою температуру при изменении магнитного поля. Комбинируя материалы с несколькими «умными» эффектами, ученые могут получать мультифункциональные композиты с расширенным набором полезных для практических приложений свойств.
В прошлом группа исследовала перспективные для этих задач сплавы железа и родия (Fe-Rh) и показала возможность измерения их температуры бесконтактным способом. Теперь же физики предложили оригинальный метод изучения «умных» свойств композитов на основе этого материала.
Вводя композит в магнитное поле величиной до 8 Тесла, создаваемое с помощью сверхпроводящей системы, ученые смогли управлять состоянием ПНИПАМа в режиме реального времени.
«Основная цель нашего эксперимента — продемонстрировать в режиме реального времени возможность управления свойствами термочувствительного полимера PNIPAM через магнитокалорический эффект. Для проверки этой идеи мы изготовили серию композитов на основе гадолиния и сплава железа и родия, а также разработали и собрали специальную вставку с мини-камерой — она позволила наблюдать за свойствами композита в магнитом поле. Результаты показали, что свойства термочувствительных полимеров можно «переключать» в обе стороны — так, подбирая нужный магнитокалорический материал и поле, можно переводить ПНИПАМ из гелеобразного состояния в сморщенное и, наоборот», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Карим Амиров, старший научный сотрудник, заведующий лаборатории «Композитные материалы» НОЦ «Умные материалы и биомедицинские приложения» БФУ имени И. Канта.
При температуре выше 32 градусов Цельсия полимер начинал мутнеть менее, чем за одну секунду. При охлаждении он так же быстро становился прозрачным. Важно отметить, что управлять свойствами полимера ученые смогли без использования внешнего нагревателя или охладителя, что избавляет от необходимости использования подводящих проводов и позволяет контролировать состояние ПНИПАМа бесконтактно. Физики планируют в будущем развивать технологию получения таких материалов с помощью трехмерной печати и проводить детальные исследования по изучению их биологической совместимости.
