Полимерная оболочка улучшила пьезоэлектрические свойства композитов для доставки лекарств

Ученые БФУ имени Иммануила Канта выяснили, что полимерное покрытие позволяет улучшить структуру и свойства магнитоэлектрических композитов, применяющихся в медицине для доставки лекарств, а также при создании имплантатов и искусственных тканей. Так, модификация полимером способствует равномерному распределению компонентов композита, а также повышает его пьезоэлектрические свойства на 40%. Это значит, что материал быстрее накапливает электрический заряд после механического воздействия. Такая способность может использоваться, например, для стимуляции роста и развития клеток в искусственных тканях. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Magnetism and Magnetic Materials.

Композиты, обладающие одновременно магнитными и электрическими свойствами, широко применяются в медицине, например, для доставки лекарств, при создании искусственных тканей и имплантатов. Кроме того, эти соединения используют в качестве катализаторов в химической промышленности. Примером такого композита служит материал на основе магнитных наночастиц из феррита кобальта и поливинилиденфторида — фторсодержащего полимера, имеющего пьезоэлектрические свойства, то есть способного накапливать электрический заряд в ответ на механическое воздействие. При этом электрические и магнитные характеристики композита определяются не только свойствами его компонентов, но и их структурой и взаимным расположением. Однако данных о том, может ли покрытие наночастиц дополнительными материалами, модифицирующими их структуру, повлиять на строение и свойства композитов, еще недостаточно.

Ученые из Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта (Калининград) исследовали, как модификация наночастиц феррита кобальта водорастворимым полимером полиэтиленгликолем влияет на свойства композита. Для этого физики выдерживали наночастицы в растворе полиэтиленгликоля в течение часа, а затем удаляли излишки полимера. Модифицированные наночастицы ученые растворяли с порошком поливинилиденфторида, готовую смесь разливали по формам и высушивали до получения пленок. Также авторы аналогичным образом получили композиты, в которых наночастицы не обрабатывали полимером.

Исследование структуры материалов показало, что немодифицированные наночастицы часто агрегируют, то есть «слипаются», в результате чего композит становится неоднородным: в нем образуются области с большим скоплением частиц и лишенные их промежутки. Модификация полиэтиленгликолем способствовала равномерному распределению наночастиц в матрице поливинилиденфторида. Так, площадь поверхности композита, лишенная частиц, снизилась с 16% до 1%, а размер агломератов из слипшихся частиц уменьшился на 39%.

Модифицированные композиты сохранили как магнитные, так и пьезоэлектрические свойства, характерные для исходного материала. Более того, обработка полиэтиленгликолем усилила способность накапливать электрический заряд при механическом воздействии композита на 40% за счет изменений в его микроструктуре. Таким образом, модифицированный композит быстрее реагировал на механическое раздражение. Разработанные материалы потенциально могут использоваться в регенеративной медицине. Так, создаваемые ими в ответ на давление электроимпульсы могут стимулировать деление клеток в составе искусственных тканей и имплантатов.

«В рамках дальнейшего исследования мы планируем углубленно изучить механизмы взаимодействия полимерного покрытия с компонентами магнитоэлектрических композитов. В будущем эти материалы могут стать ключевым элементом в создании интеллектуальных имплантатов и биоэлектронных систем, способных взаимодействовать с живыми клетками на молекулярном уровне. Возможности применения разработанных композитов откроют новые горизонты в регенеративной медицине, позволяя создавать самообновляющиеся искусственные ткани. Эти работы прокладывают путь к медицине будущего, где технологии и биология объединяются для достижения невиданных ранее высот в лечении и восстановлении здоровья человека», — рассказывает Виталий Сальников, лаборант-исследователь НОЦ «Умные материалы и биомедицинские приложения» Балтийского федерального университета имени Иммануила Канта.