Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Разработаны составы «чернил» на основе частично сшитого альгината – хитозана с внедренным наногидроксиаппатитом для реализации процесса 3D печати. На основании проведенных экспериментальных исследований обусловлен выбор типа диспергирующего устройства. Так для диспергирования порошка хитозана и растворение альгината натрия используется ротор-статорный гомогенизатор при скорости вращения ротора 12000 об/мин и времени процесса 5 минут. В свою очередь для диспергирования наногидроксиаппатита используется процесс ультразвукового диспергирования для равномерного распределения наноматериала и разрушения агломератов. Проведены комплексные исследования реологических особенностей гелевых материалов с различной концентрацией наноматериала. На основании полученных результатов установлено, что все гелевые материалы независимо от концентрации наноматериалов обладают псевдопластичным типом течения, тиксотропными свойствами и точкой начала течения. 2. Разработана технология 3D печати с использованием разработанных гелевых материалов на основе биополимеров и наноматериалов. Проведены экспериментальные исследования процесса прямой гелевой печати с использованием материалов на основе частично сшитого альгината натрия с внедренным наногидроксиаппатитом различной концентрации. На основании проведенных исследований определены параметры проведения процесса. Стоит отметить, что при максимальной концентрации наногидроксиаппатита в структуре гелевых материалов (0,4 масс.%) наблюдается значительное увеличение вязкости, что обуславливает необходимость увеличения скорости перемещения поршня экструдера при сохранение линейной скорости перемещения экструдирующего устройства в процессе печати. 3. Разработана методика проведения совмещенных процессов сушки и стерилизации в среде сверхкритического диоксида углерода. Проведены экспериментальные исследования совмещенных процессов сушки и стерилизации изделий сложной геометрии на основе полиэлектролитного комплекса альгинат натрия-хитозан и различной концентрации наногидроксиаппатита. На основании проведенных исследований установлены параметры проведения процесса и последовательность технологических операций. Процесс сверхкритической сушки осуществлялся при следующих параметрах: температура 40°С, давление 120-140 бар, расход диоксида углерода 1000 г/ч, время процесса 4-5 ч. После завершения процесса сушки осуществляется сброс давления со скоростью 4 бар/мин. В свою очередь, процесс сверхкритической стерилизации аэрогелей основе полиэлектролитного комплекса альгинат натрия-хитозан осуществлялся при массовом расходе 500 г/ч и времени проведения процесса в проточном режиме 30 минут через ячейку с H2O2, давлении 120 бар и температуре 40 °С. Результаты исследований стерильности изделий в соответствие МУК 4.2.2316-08 «Методы контроля бактериологических питательных сред» и ОФС.1.2.4.0003.15 «Стерильность» продемонстрировали эффективность предложенной методики проведения совмещенных процессов. 4. Получены результаты комплексных аналитических исследований структуры и свойств высокопористых материалов. Гибридный аэрогель демонстрирует высокопористую трехмерную сеть нановолокон альгинат‑хитозанового полиэлектролитного комплекса. Размер волокон лежит в диапазоне от 30 до 70 нм. Результаты СЭМ демонстрируют наличие пор в образцах от 0,1 до 10 мкм. При этом формируются однородная структура гибридных аэрогелей альгинат-хитозан. НГА плотно встраивается в структуру волокон. Изотермы для всех образцов гибридных аэрогелей альгинат-хитозан – типичные изотермы IV(a) по классификации IUPAC с петлей гистерезиса H3. Это указывает на мезопористую структуру образцов (преимущественно с щелевидными порами от 30 до 60 нм) и практически полное отсутствие микропор (до 2 нм). При увеличении концентрации НГА общий объем пор и удельная поверхность постепенно снижаются, что связано с тем, что НГА занимает мезопоры образцов. Увеличение концентрации НГА приводит к уменьшению объема мезопор и среднего диаметра пор, что предположительно связано с формированием более жестких и плотных структур. Все образцы гибридных аэрогелей альгинат-хитозан с добавлением НГА были получены с использованием сверхкритической стерилизации и без. Аналитические исследования были проведены трижды. Во всех случаях влияния СК стерилизации на характеристики установлено не было. 5. Получены результаты исследования антибактериальной активности изделий со сложной геометрией на основе биополимеров и наноматериалов. Образцы гибридных аэрогелей альгинат-хитозан продемонстрировали эффективное подавление роста микроорганизмов Escherichia coli и Staphylococcus epidermidis. Для Escherichia coli площадь зон подавления увеличилась с 9.5 до 16 мм по мере увеличения концентрации хитозана в образцах. В случае Staphylococcus epidermidis антибактериальные свойства продемонстрировали образцы с соотношением Alg:Сhi 1:0.25; 1:0.5; 1:1. Образец с соотношением Alg:Сhi 1:0.125 не подавил рост Staphylococcus epidermidis. Основной вклад в антибактериальную активность в структуре полиэлектролитного комплекса альгинат-хитозан вносит хитозан. Экстракты, полученные из образцов изделий на основе биополимеров, не имели ингибирующий эффект на рост клеток (~95% жизнеспособности клеток по сравнению с контролем). Эффект ингибирования не проявлялся для всех образцов гибридных аэрогелей альгинат-хитозан в том числе с НГА. 6. Сформулированы рекомендации по проведению процесса трехмерной печати гелевыми материалами для получения изделий медицинского назначения со сложной геометрией на основе аэрогелей и наноматериалов. Выбор конкретного подхода к реализации 3D печати обусловлен реологическими особенностями «чернил». Метод формирования изделия путем нанесения чернил на рабочую поверхность и метод формирования изделия в объеме гетерофазной системы обеспечивают возможность работы с принципиально разными материалами. На реализацию процесса трехмерной печати с использованием разработанных составов гелевых материалов наибольшее влияние оказывают концентрация твердой фазы (хитозана, НГА), вязкость раствора и точка начала течения. Для реализации процесса 3D-печати с формированием изделия путем нанесения чернил на рабочую поверхность к чернилам предъявляются более строгие требования. С точки зрения тиксотропных свойств полученных составов для печати диапазон площадей петель гистерезиса тиксотропии от 2300 до 2900 является приемлемым и обеспечивающим эффективное восстановление вязкости после экструзии гелевых материалов на поверхность рабочей области.