КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 20-12-00031

НазваниеФизические свойства биоактивных систем с магнитными наночастицами

РуководительЗубарев Андрей Юрьевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Период выполнения при поддержке РНФ 2023 г. - 2024 г. 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (45).

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые словаМагнитные наночастицы; жидкие и мягкие среды; магнитные свойства; внутренние структуры; физическая гидромеханика; магнитореология

Код ГРНТИ29.17.31

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
За время выполнения проекта 2020 интерес к мягким и жидким материалам с нано-и микро-размерными магнитными частицами, их физическим свойствам и применению в биоинженерных и медико-биологических технологиях быстро рос во всем мире, о чем свидетельствует, в частности, большое число работ, опубликованных в 2020-2022 гг. по различным аспектам этой тематики (см. краткий обзор в п.4.1 заявки). Проект 2023г. планируется как развитие проекта 2020г. Работы будут вестись по следующим направлениям. 1. Синтез и исследование физических свойств феррогелей как материалов для скаффолдов регенерации и инженерии биологических тканей. В 2020-2022гг. нами были исследованы феррогели на основе полисахаридов и полипептидов. Сделан вывод о том, что полипептиды вряд ли могут рассматриваться как материалы для скаффолдов, а полисахариды – весьма перспективны. За эти годы в литературе появились сообщения об успешном применении in-vivo ряда других биополимеров. В частности, было показано, что скафолды из желатина и полиакриламида могут быть успешно использованы для восстановления хрящевых тканей. Однако физические свойства этих материалов не исследовались, что существенно сдерживает их внедрение в медицинскую и биоинженерную практику. Мы планируем осуществить синтез, систематические экспериментальные и теоретические исследования феррогелей на основе физических сеток биополимеров (желатин, полисахариды) и взаимопроникающих сеток с синтетическими полимерами (полиакриламид, полигидрокиэтил(мет)акрилат) в широком диапазоне концентраций магнитных частиц. Будут исследованы их магнитные, магнитострикционные и магнитореологические свойства, а также термодинамическая совместимость компонентов магнитореологических суспензий и феррогелей. 2. Микрогели (микронные полимерные объекты с внедренными магнитными наночастицами) привлекают большой интерес как «контейнеры» для адресной доставки и высвобождения лекарств в орагнизме. Однако непосредственное наблюдение таких малых объектов затруденно. Для исследования их фундаментальных свойств нами будут синтезированы их миллиметровые модели. Будут исследованы их магнитострикционные и транспортные свойства в неоднородных магнитных полях, возможность их иммобилизации в канале с движущейся жидкостью (имитирующей кровь или лимфу) при помощи внешнего магнитного поля, особенности выделения из них лекарства под действием температуры и сжимающего (деформирующего) магнитного поля, а также фундаментальные особенности ансамбля таких частиц – их способность к структурированию под действием поля, реологические особенности суспензий этих образцов. Будут построены теоретические модели исследуемых явлений. Подобные исследования планируются впервые. 3. Будут проведены экспериментальные и теоретические исследования поперечной деформации цилиндрических образцов изучаемых феррогелей в поперечном магнитном поле. 4. Будут продолжены работы проекта по изучению возможностей интенсификации транспорта тромболитиков в тромбированных кровеностных сосудах при помощи внедренной магнитной жидкости и переменного внешнего магнитного поля. Планируется проведение эксперимента с феррожидкостью в канале, имитирующем кровеносный сосуд тромбирование которого опасно для здоровья и жизни человека. Канал будет помещен во вращающееся магнитное поле с напряженностью и частотой, удовлетворяющим физиологическим ограничениям. Будет построена теория генерируемых течений. Будет развита теория диффузионно-конвективного транспорта тромболитиков к тромбу в сосуде с возбужденными циркуляционными течениями. Эти исследлвания будут проведены впервые. 5. Будут проведены исследования магнитной гипертермии в магнитополимерных композитных образцах, имитирующих биологические ткани и микрогели. Основное внимание будет уделено, практичеки не изученному в литературе, влиянию внутренних структур, которые образуют внедренные магнитные частицы в гелевой матрице, на величину генерируемого теплового эффекта.

Ожидаемые результаты
1. Будут измерены зависимости магнитострикционных деформаций, модулей накопления и потерь энергии желатиновых и полиакриламидных феррогелей от величины магнитного поля, концентрации внедренных феррочастиц и формы образцов. 2. Будут определены характерстики магнитного поля (напряженность, конфигурация), необходимого для иммобилизации миллиметровых образцов феррогелей (моделирующих микрогели), находящихся в каналах с движущейся жидкостью, имитирующих кровеносные сосуды и лимфопротоки. Будут определены основные особенности выделения лекарств из микрогелей под действием магнитного поля, температуры, изменения рН среды. Будут определены особенности поведения ансамблей миллиметровых образцов во внешнем поле – особенностей их структурирования и реологии суспензий таких образцов. 3. Будет определена зависимость поперечной деформации цилиндрических образцов феррогелей в поперечном к их оси магнитном поле от величины поля, размера, формы, магнитных и упругих характерстик образцов с закрепленными и свободными концами. Для каждого типа образцов будет определено критическое поле наступления деформации. 4. Будет определена структура циркуляционных течений в кювете с магнитной жидкостью с пространственно неоднородным распределением частиц под воздействием вращающегося магнитного поля. Величина скорости будет определена как функция от координат внутри кюветы, а также от величины внешнего магнитного поля и частоты его вращения. 5. Будет установлена связь между величиной магнитогиперетрмического эффекта, продуцируемого в феррогелях, от особенностей морфологии структур, образовыанных магнитными частицами, внедренными в образец. 6. Будут измерены зависимости динамических модулей магнитореологических суспензий на основе желатина и магнитных частиц оксида железа и металлического железа от приложенного сдвигового напряжения, частоты и содержания магнитных частиц. Будут получены концентрационные зависимости энтальпии адгезии желатина к поверхности магнитных частиц. 7. Будет установлена взаимосвязь модулей упругости феррогелей на основе физических сеток биополимеров (желатин, агароза) и комбинированных сеток с синтетическими полимерами (полиакриламид, полигидроксиэтил(мет)акрилат) с содержанием магнитных частиц и параметров сетчатой структуры. 8. Будут измерены термодинамические параметры сродства полимеров в составе комбинированных гелей на основе альгината и полакриламида, а также термодинамические характеристики гидратации гелей на основе биосовместимого синтетического полимера – полигидроксиэтил(мет)акрилата. Запланированные результаты будут находиться на передовом уровне развития науки о мягких композитных материалах и материалах для медико-биологических технологий. Они могут служить научной основой технологий создания скаффолдов для регенерации и инженерии биологических тканей; мягких актуаторов; микрогелей для адресной доставки и высвобождения лекарств; для терапии онкологических заболеваний.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В соответствии с планами проекта, работа велась по двум направлениям. 1. Исследования циркуляционных течений в каналах, заполненных ньютоновской жидкостью с внедренной каплей растворимой феррожидкости под действием переменного магнитного поля, с целью развития научной базы интенсификации транспорта тромболитиков в тромбированных кровеносных сосудах. 2. Свойств и поведения магнитополимерных композитов, как модельных материалов для создания магнитоуправляемых матриц (скаффолдов) выращивания, инженерии и регенерации биологических тканей. В рамках первого направления проведены экспериментальные исследования особенностей генерирования течений в кюветах, размеры которых отражают размеры кровеносных сосудов человеке, тромбирование которых опасно для здоровья и жизни человека. Течения генерировались под действием пространственно однородного (на размерах кюветы) вращающегося поля. Эксперименты показали, что для возникновения макроскопических течений необходимо создать пространственно неоднородный профиль концентрации магнитной фазы. Такой профиль был создан при помощи пространственно неоднородного постоянного поля. Напряженность постоянного поля была намного меньше напряженности вращающегося поля, чтобы не затруднялось вращение магнитных наночастиц и их агрегатов во вращающемся поле. В экспериментах были измерены профили и амплитуда генерируемых течений, сделан вывод о том, что конвективный перенос примеси (лекарства) этими течениями может быть более интенсивным, чем диффузионный перенос в сосуде с остановившемся кровотоком. В рамках этого направления развита теоретическая модель магнитоиндуцированных течений в тромбированных каналах вблизи тромба. Продемонстрировано, что в каналах со слоем феррожидкости, параллельным одной из стенок канала, вращающиеся поля с реалистическими значениями частоты и напряженности поля могут генерировать циркуляционный течения с достаточно высокой амплитудой для существенной интенсификации транспорта тромболитиков. В рамках второго направления рассмотрена задача о релаксационном изменении модулей вязкоупругости феррогеля, состоящего из мягкой полимерной среды и внедренных несферических частиц, после изменения (включения или выключения) внешнего магнитного поля. Результаты показали, что стационарные значения модулей накопления G’ и потерь G” энергии увеличиваются под действием внешнего магнитного поля (магнитореологический эффект). После ступенчатого изменения поля G’ релаксирует к новому стационарному значению в течении конечного времени, определяемого упруговзкими свойствами несущего полимера и напряженности магнитного поля. Модуль G” как после включения, так и после выключения поля испытывает практически скачкообразное увеличение и, после этого, релаксационное изменение к новому стационарному значению. Полученные теоретические результаты объясняют опубликованные недавно в литературе эксперименты с аналогичным поведением G’ и G” . В рамках этого же направления проведены теоретические исследования динамики перемагничивания магнитополимерных композитов с внедренными однодоменными феррочастицами. Внимание было сконцентрировано на исследовании эффектов взаимодействия частиц. Рассматривались относительно жесткие материалы с полностью иммобилизованными частицами, а также сравнительно мягкие среды, допускающие частичный поворот частиц при изменении внешнего поля. Теоретически продеомонстрировано, что взаимодействие частиц приводит к неэкспоненциальной зависимости от времени намагниченности композита после ступенчатого изменения внешнего поля. При относительно слабых полях межчастичное взаимодействие замедляет темп перемагничивания, при больших полях – ускоряет его. Теоретически исследовано влияние жесткости композита на компоненты его комплексной восприимчивости. В рамках этого направления отработан метод синтеза магнитных наночастиц методом электрического взрыва металлической проволоки и дальнейшего их внедрения в биологический (биосовместимый) гель для создания феррогеля с требуемыми свойствами. Преимущество метода электрического взрыва состоит в возможности получения практически монодисперсной системы частиц (с очень узким распределением по размерам) в отличие от традиционных химических методов и методов механического помола, в результате применения которых получаются системы с очень широким распределением по размерам частиц. Были синтезированы материалы с различной концентрацией частиц и с различными несущими полимерами. Проведены экспериментальные исследования реологических и магнитореологических свойств этих композитов, а также силы их притяжения к постоянным магнитам в зависимости от геометрии образца, магнита и расстояния между ними, а также от концентрации внедренных частиц. Для некоторых материалов обнаружен эффект перехода из текучего в квазиупругое состояние при повышении концентрации внедренных наночастиц.

 

Публикации

1. A. П. Сафронов, И.В. Beketova, А.В.Багазеев, А.И.Медведев, А.М.Мурзакаев, Т.В.Терзиян, А.Ю.Зубарев In Situ Encapsulation of Nickel Nanoparticles in Polysaccharide Shells during Their Fabrication by Electrical Explosion of Wire Colloid Journal, V. 85, No. 4, pp. 541–553 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1061933X23600410

2. Felix Blyakhman, Alexander Safronov, Ilya Starodumov, Darya Kuznetsova, Galina Kurlyandskaya Remote Positioning of Spherical Alginate Ferrogels in a Fluid Flow by a Magnetic Field: Experimental and Computer Simulation Gels, V.9, P.711 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/gels9090711

3. А.П.Сафронов, Н.М.Курилова, Л.В.Адамова, Т.Ф.Шкляр, Ф.А.Бляхман, А.Ю.Зубарев Hydrogels Based on Polyacrylamide and Calcium Alginate: Thermodynamic Compatibility of Interpenetrating Networks, Mechanical, and Electrical Properties Biomimetics, 2023,8,279 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/biomimetics8030279

4. А.Ю.Зубарев Dynamic susceptibility of soft ferrogels. Effect of interparticle interaction Soft Matter, V 19 N 7988 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1039/d3sm00996c

5. А.Ю.Зубарев, Л.Ю.Искакова To the magnetorheological properties of magnetic gels with non-spherical particles. Viscoelastic modulus relaxation after the field alternation J. Magnetism and Magnetic Materials, 588 (2023) 171448 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2023.171448

6. А.Ю.Зубарев, Л.Ю.Искакова Dynamic susceptibility of ferrogels. Effect of interparticle interaction Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 587 (2023) 171247 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2023.171247

7. А.Ю.Зубарев, П.Кужир, А.Ю.Мусихин To the theory of magneto-induced flow in thrombosed channels Journal of Magnetism and Magnetic Materials, V.587 , P.171316 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2023.171316

8. Мусихин А.Ю., Зубарев А.Ю. Циркуляционный поток в феррожидкости в тромбированном канале (Circulation flow in ferrofluid in a thrombosed channel) -, 2023661774 (год публикации - )

9. - МАТМОДЕЛЬ ПОМОЖЕТ ПОВЫСИТЬ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЛЕЧЕНИЯ ТРОМБОЗОВ Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/) Научная Россия, 29.10.2023 12:00 Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/) (год публикации - )