Изготовление композитных материалов на основе полилактида (PLA) и ферромагнитных наночастиц для биомедицинских приложений



Введение

За последние годы в мире вырос интерес к теме композитных материалов. Полимеры из-за своего молекулярного строения обладают большим спектром физических и химических свойств, среди которых можно выделить эластичность, термопластичность и прочность. Благодаря этому, в производственном секторе применение полимеров позволяет решить комплекс задач для широкого круга отраслей, включая материалы для медицины и медицинских приложений.

В данной работе будет представлена серия образцов с содержанием ферромагнитных наночастиц на основе полимеров PLA, полученных методом ракельного ножа. По ходу работы над образцами будут проводиться исследования с применением установок (EDX, SEM,XRD). В дальнейшем при положительных результатах биологических исследований полимерных плёнок в качестве подложек для развития клеточных культур предлагается использовать данные материалы для разработки и создания биомедицинских приложений.

Проблема: Применение полимерных материалов уже вошло во многие производственные отрасли, однако практически не используются полимеры, обладающие пьезоэлектрическими свойствами. PLA — пьезоэлектрические полимер, который обладает большим потенциалом в областях создания умных материалов для биомедицинских приложений, но из-за природной ситуативности проявления своих свойств ограничен в применении.

Актуальность. Добавление в раствор полимера дополнительных компонентов — ферромагнитных наночастиц CoFe2O4 и Fe3O4, позволит получить влияния на материал с помощью магнитного поля, тем самым расширить потенциал и его функциональность в полной мере для применения в более сложных производствах, связанных с нано-технологиями и медициной.

Цель/задачи . Для ускоренного внедрения композитов в работу необходимо установить свойства и функции PLA с добавлением наночастиц. В ходе работы методом Dr. Blade будут получены полимерные плёнки, которые в дальнейшем будут изучены на предмет свойств и функций PLA с помощью EDX, SEM и powder XRD.

1. Анализ и поиск литературы по данной тематике
2. Изучение методик синтеза ферромагнитных наночастиц
3. Синтез ферромагнитных наночастиц, методами соосаждения и золь-гель
4. Изготовления композитов на основе PLA методом ракельного ножа
5. Исследование шероховатости размера пор и агломераций наночастиц на поверхности композита методом сканирующей электронной микроскопии (SEM)
6. Изучение кристаллической структуры полимерного композита методом рентгеновской порошковой дифрактометрии
7. Изучить элементный состав композитных пленок • Изучение качественного и количественного композита, методом элементного анализа твердого вещества

Гипотеза . За счет добавления наночастиц в полимер на основе PLA возрастет его пористость, но композит останется прежним. За счет этих свойств его можно будет использовать в качестве основы для применения в биомедицине.

Физические и химические свойства PLA позволят использовать его в биомедицинских приложениях, а за счет добавления наночастиц в полимер возрастет его пористость, но композит останется прежним.

Ход работы

В ходе работы мы использовали два метода для синтеза наночастиц: золь-гель и соосаждение.

I . Золь-гель метод. Синтез наночастиц CoFe ₂ O ₄ ( CFO ).(рис.1)

Шаг 1

1.1 Отмерили навеску Fe(NO3)3 × 9 H2O =2,6928 г

1.2 Отмерили навеску Co(NO3)3 × 6 H2O =0,9702 г

1.3 Отмерили навеску C6H8O7 (далее лимонная кислота) =2,1003г

Шаг 2

2.1 Растворили соли металлов в 5 мл и в 10 мл лимонную кислоту дистиллированной водой (далее H2O) по отдельности.

2.2 Перелили растворы в термостойкий высокий стакан объёмом 300 мл и промыли тару из-под навесок 5 мл H2O.

Шаг 3

3.1 В смесь солей и лимонной кислоты погрузили магнит, после чего поставили стакан на магнитную мешалку при постоянной температуре 150℃.

3.2 С помощью pH-метра доводили кислотность раствора в пределах 7,0–7,3, путём добавления аммиака (NH ₃ ) при постоянном перемешивании.

3.3 После достижения оптимальной кислотности оставляем полученный раствор золь-геля на 2 часа при температуре 150℃ для испарения воды.

Рис. 1 [4]

II . Метод соосаждения. Синтез ферромагнитных наночастиц. Fe ₂ O ₃ и Fe ₃ O ₄ (рис.2)

Шаг 1

1.1 В колбу добавили 200 мл H ₂ O и оставили нагреваться при температуре до 80℃:

Шаг 2

2.1 Отмерили навеску FeCl ₃ × 6 H ₂ O= 13,550г

2.2 Отмерили навеску FeCl ₂ × 4 H ₂ O =5,468г

2.3 Отмерили навеску NaOH =8,234г

Шаг 3

3.1 Растворили соли металлов и NaOH по отдельности в 10 мл дистиллированной воды H ₂ O;

3.2 После растворения солей металлов, влили растворы в колбу при постоянном перемешивании.

3.3 После внесения солей по капле добавили раствор NaOH для последовательного начала реакции.

3.4. После 10–15 капель влили остаток раствора NaOH.

Шаг 4

4.1 Оставили полученный раствор на 1 час при 80℃ не переставая интенсивное перемешивание.

Шаг 5

5.1 Спустя 1 час дали остыть колбе и отделили образовавшиеся наночастицы с помощью магнита.

5.2 Придерживая магнит с одной из сторон колбы, аккуратно слили жидкость из колбы, после чего добавили чистой дистиллированной воды H ₂ O объёмом 100–150 мл и перемешать новый раствор.

5.3 Повторив предыдущий пункт 3–4 раза добавили в колбу 50 мл этилового спирта C ₂ H ₅ OH и перемешали с наночастицами, после чего поставили в сушильный шкаф при температуре 85 ℃ до полного испарения жидкой фазы.

Рис. 2 [5]

III . Изготовление серии композитов на основе PLA и наночастиц методом Dr . Blade .

Шаг 1

1.1 Составляем пропорцию:

Шаг 2

2.1 Отмерить навеску предварительно просушенного PLA =0,85г

2.2 Отмерить навеску наночастиц = 0,15г

Шаг 3

3.1 Навеску PLA перенесли в сухую колбу;

3.2 Под вытяжкой внесли пипеткой 2 мкл дихлорметан или хлористый метилен;

3.3 Плотно закрыли горло мерного стакана для минимизации испарений дихлорметана;

3.4 Растворили PLA до состояния геля на магнитной мешалке при T = 30℃.

Шаг 4

4.1 В полученный раствор внесли навеску наночастиц и добавили 1 мкл дихлорметана.

4.2 Перемешали до однородного состояния раствор на химической мешалке τ = 10 мин.

Шаг 5

5.1 Залили готовый раствор в подготовленные формы и разравняли ракельным ножом;

5.2 Оставили формы с полимером до полного высыхания ≈ 10–12 часов.

Рис. 3 [6]

Методы исследования

По ходу работы над образцами будут проводиться исследования с применением следующих установок:

Сканирующий электронный микроскоп (SEM) (рис.4) — для исследования толщины полимерных композитов и обнаружения дефектов на их поверхности. SEM-анализ — это мощный исследовательский инструмент, который использует сфокусированный электронный луч для получения сложных, сильно увеличенных изображений рельефа поверхности образца.

Рис. 4 [7]

Рентгеновский порошковый дифрактометр (powder XRD) (рис.5) для определения состава образцов, изучения кристаллической и фазовой структуры полученных полимерных плёнок. Рентгеновская дифрактометрия (рентгенодифракционный анализ, XRD — X-ray diffractometry) основана на способности рентгеновских лучей отражаться от плоских сеток, образованных атомами в кристаллической решетке материала. Это приводит к возникновению дифракционных отражений (дифракционных максимумов), каждое из которых характеризуется определенным межплоскостным расстоянием и интенсивностью.

Рис. 5 [8]

Энергодерсперсионная рентгеновская спектроскопия (EDX) (рис.6) — для аналитического метода элементного анализа твёрдого вещества. С помощью рентгеновских лучей атомы исследуемого образца возбуждаются, испуская характерное для каждого химического элемента рентгеновское излучение. Исследуя энергетический спектр такого излучения, можно сделать выводы о качественном и количественном составе образца.

Рис. 6 [8]

Результаты исследования

Работая на рентгеновском порошковом дифрактометре (powder XRD), для определения состава образцов, изучения кристаллической и фазовой структуры полученных полимерных плёнок, мы выяснили, что наш полимер имеет аморфную структуру.

—Композит на основе PLA с наночастичками (CoFe ₂ O ₄ )

—Композит на основе PLA с наночастичками (Fe ₃ O ₄ )

На рентгеновском порошковом дифрактометре (powder EDX) мы исследовали кристаллическую и фазовую структуру полученной полимерной плёнки, а также узнали состав образца PLA. Таким образом, основные компоненты композитных материалов на основе CoFe2O4 были железо и кислород. Мы также изучили состав композитных материалов с наночастицами Fe3O4, их основные компоненты также стали железо и кислород.

—Композит на основе PLA с наночастичками (Fe ₃ O ₄ )

—Композит на основе PLA с наночастичками (CoFe ₂ O ₄ )

В нашей работе мы также использовали сканирующий электронный микроскоп (SEM) для исследования толщины полимерных композитов и обнаружения дефектов на их поверхности. На наших композитах мы обнаружили деградацию материала, что может косвенно подтверждать его биодеградацию

— Композитные материалы на основе наночастиц CoFe ₂ O ₄ :

—Композитные материалы на основе наночастиц Fe ₃ O ₄ :

Выводы

Таким образом, разработана методика изготовления композитных плёнок, отработана технология получения воспроизводимых 2D-композитов с постоянством параметром толщины, размеров и шероховатости поверхности. В дальнейшем при биологических исследованиях полимерных плёнок в качестве подложек для развития клеточных культур предлагается использовать данные материалы для разработки и создания биомедицинских приложений, в частности, для наружного применения. Обнаружили деградацию материала за счет потока электронов, это косвенно подтверждает, что он будет биодеградировать, это свойство можно положительно использовать в разработке биомедицинских приложениях. Наша гипотеза подтвердилась. Композит на основе ПЛА подходит для биомедицинских приложений. При этом материалы с использованием наночастиц, полученных методом соосаждения, проявили большую биодеградацию, чем композиты с использованием наночастиц, полученных методом золь-гель, следовательно биомедицинские приложения, изготовленные с использованием ферритовых наночастиц и полилактида будут более благоприятны для организма человека.

В качестве примера мы можем предложить нанопластырь, который представляет собой тонкую гибкую пластину, накладываемая на кожу. Имеет несколько важных применений, основными из которых является регенерация тканей и доставка вакцины или лекарств непосредственно к иммунной системе организма.

Литература:

1. Saxena, P., & Shukla, P. (2021). A comprehensive review on fundamental properties and applications of poly(vinylidene fluoride) (PVDF). Advanced Composites and Hybrid Materials, 4(1), 8–26. https://doi.org/10.1007/s42114–021–00217–0
2. O Senatov, F. S., et al. (2016). Mechanical properties and shape memory effect of 3D-printed PLA-based porous scaffolds. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 57, 139–148. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2015.11.036
3. Omelyanchik, A., et al. (2021). Boosting magnetoelectric effect in polymer-based nanocomposites. Nanomaterials, 11(5). https://doi.org/10.3390/nano11051154
4. S. Pilz, H. Najafi, M. Ryser, V. Romano Granulated Silica Method for the Fiber Preform Production (2017). Institute for Applied Laser, Photonics and Surface Technologies (ALPS), Bern University of Applied Sciences, Pestalozzistrasse 20, CH-3400 Burgdorf, Switzerland https://doi.org/10.3390/fib5030024
5. C. Ribeiro, C. M. Costa, S. Lanceros-Méndez (2018) Electroactive poly(vinylidene fluoride)-based structures for advanced applications https://www.nature.com/articles/nprot.2017.157
6. https://ictech.com.ua/ru/2019/12/04/1080/
7. https://nsp.phys.spbu.ru
8. http://elib.osu.ru/bitstream/123456789/10659/1/
9. https://farminfoservice.ru/bussines/ispytaniya-rfa-chto-eto.html