25.02.2021
Учёные Саратовского университета разработали лазерную технологию создания структур в виде композитных слоёв на основе углеродных нанотрубок и биополимеров.
Такие структуры предназначены для изготовления устройств и имплантов для сердечно-сосудистой системы. В процессе работы исследователями были выявлены оптимальные параметры лазерного воздействия для образования композитных биополимеров, проводящих электрические импульсы и обладающих механической твердостью слоев свыше 100 МПа.
Статья о результатах работы научного коллектива Саратовского госуниверситета, Московского института электронной техники и Первого Медицинского университета имени И.М. Сеченова опубликована в «Composite Structures».
В числе ключевых достоинств сформированных биополимеров отмечается способность обеспечить нормальный уровень гемолиза при взаимодействии с эритроцитами и высокая биосовместимость с эндотелиальными клетками, выстилающими внутреннюю поверхность сосудов. По словам руководителя исследования, заведующей кафедры радиотехники и электродинамики СГУ Ольги Глуховой, новые материалы могут использоваться при создании смарт-покрытий для контактирующих с кровью поверхностей сердечно-сосудистых имплантатов – например, насосов для перекачивания крови.
«Здесь слово «смарт» понимается в хорошо всем знакомом значении «умный». Таковым этот материал делает его управляемая структура, характеризующаяся бимодальным распределением пор. Малые поры – размером 1-5 мкм – участвуют в процессах формирования новых кровеносных сосудов и обеспечения нервными клетками. В свою очередь, большие поры – размером 100-200 мкм задействованы в росте и делении клеток. Следует отметить, что размер пор может как бы «настраиваться» путем подбора размеров одностенных углеродных трубок и их пучков в исходной дисперсии, из которой лазерным воздействием формируется твердый наноматериал с разветвленной наноструктурой. Контроль размера пор дополнительно обеспечивается вычислением пороговой плотности энергии импульсов лазерного излучения на основе нелинейно-оптического взаимодействия излучения с одностенными углеродными нанотрубками», – поясняет Ольга Глухова.
Таким образом, структура и свойства создаваемого наноматериала «настраиваются» – в результате длительных численных экспериментов предварительно выявляются размеры нанотрубок и их структура, а также длина волны облучающего их лазера. Процедуры осуществляются с помощью современных квантовых методов моделирования с привлечением высокопроизводительных компьютерных вычислений. Следующий этап включает в себя процесс синтезирования наноматериала на основании теоретических результатов. Заключительная фаза – биологические и медицинские исследования.
Как подчеркивают специалисты, работа над новыми умными материалами для тканевой инженерии продолжается – в частности, в области пролиферации нейронов, разработки новых систем доставки лекарств и создания искусственных мышц для решения задач современной бионики.
Результаты исследований, осуществленных по этому направлению, легли в основу публикации, размещенной на страницах журнала «Molecules». При помощи комбинации различных методов математического моделирования научный коллектив профессора Глуховой оценил механические и электронные свойства композита на основе двух графеновых чешуек и находящихся между ними молекул фосфолипида DPPC.
«Фосфолипиды, составляющие треть всех липидов в крови человека, используются в различных системах по доставке лекарств, однако, попадая в кровоток, такие системы испытывают аномально высокое напряжение. Для защиты лекарственных носителей от опасного внешнего воздействия используется графен, являющийся самым прочным из известных сегодня материалов. Объектом нашего исследования стал композит, представляющий собой слой фосфолипидных молекул, заключенный между графеновыми слоями. Прочность такой слоистой полимерной системы оценивалась с помощью «виртуального наноиндентирования» с применением численного эксперимента, основывающегося на методе молекулярной динамики», – рассказала Ольга Глухова.
Суть используемого метода заключалась в следующем: наноиндентор в виде углеродной нанотрубки с временным шагом 0,0001 наносекунды был приближен к поверхности исследуемого объекта, индуцируя в нем структурные изменения. В результате проведенного эксперимента было обнаружено, что при подобном воздействии область максимальных локальных напряжений оказывается сосредоточенной на атомах графена, которые таким образом защищают молекулы фосфолипида от возможного разрушения.
Профессор СГУ добавила, что выявленные учеными эффекты «упрочнения» фосполипида слоями графена могут быть использованы не только для разработки новых систем доставки лекарств, но и при создании электрохимических биосенсоров нового поколения.
Текст: Александра Головачёва