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 проекта 24-71-00055
НазваниеМатематическое моделирование связанного магнитного, структурного и механического отклика микроферрогелей
Руководитель Рыжков Александр Владимирович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук , Пермский край
Конкурс №97 - Конкурс 2024 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-217 - Математическое моделирование физических сред
Ключевые слова гидрогель, магнитный гидрогель, микрогель, магнитные наночастицы, функциональные материалы, умные материалы, доставка лекарств, магнитное поле, компьютерное моделирование, метод молекулярной динамики
Код ГРНТИ29.03.77
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Одной из важнейших задач современной наномедицины является создание управляемых функциональных субмикронных частиц для дистанционной внутриклеточной доставки лекарств или иного биоактивного содержимого. Во множестве известных синтезируемых многокомпонентных решений выгодно отличаются магнитные микрогели (микроферрогели) – сетчатые гидрогелевые матрицы, в которые физически или химически встроены магнитные наночастицы. Гидрогелевая морфология позволяет заполнить частицу переносимым содержимых, а подсистема из магнитных наночастиц способна передавать внешнее воздействие на весь объем микрогеля, тем самым инициирую перенос и возможное высвобождение субстанции (или сбор патогенных веществ). Уникальная комбинация свойств макромолекулярной сетки и магнитных наночастиц делает магнитополимерные агрегаты одними из перспективных объектов, требующих всестороннее исследование. Потенциальные приложения, не ограничиваясь доставкой и высвобождением терапевтических средств, также включают использование в качестве диагностических частиц, агентов для гипертермии и наноинструментов для очистки сред. Активные экспериментальные исследования подталкивают к построению адекватных модельных представлений о процессах в микрогелях, обусловленных структурообразованием при воздействии внешнего магнитного поля. Поскольку такие модели находятся в заметном дефиците, предлагаемый исследовательский Проект направлен на формулировку и реализацию новой численной модели гидрогелевой магнитополимерной частицы с целью получение данных о процессах, происходящих в данных объектах при воздействии внешнего магнитного поля, и способах эффективного использования обнаруженных особенностей в наномедицине. Для решения задач планируется разработка программного комплекса, обеспечивающего проведение вычислительного эксперимента методом крупнозернистой молекулярной динамики для модельных микрогелей различной задаваемой морфологии. Данный инструмент позволит выявить типичные сценарии отклика магнитоактивной подсистемы и связанной с этим структурной перестройки, равно как и результирующее механическое поведение. Распространенная далее на случай суспензии из микроферрогелей модель, как предполагается, позволит охарактеризовать коллективный отклик частиц различного строения и потенциальные сценарии его биомедицинского приложения.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Исследования в рамках Проекта в отчетный период были посвящены разработке модели магнитного микрогеля (или микроферрогеля) – субмикронной сетчатой гидрогелевой частицы, в которую «вшиты» магнитные наночастицы. Подобные объекты являются перспективными с точки зрения создания управляемых функциональных систем дистанционной внутриклеточной доставки и высвобождения лекарств. Для исследования намагничивания в однородном магнитном поле отдельных микрогелевых объектов с заданными свойствами, находящихся в изотермических условиях в присутствии растворителя, сформулирована и реализована методом крупнозернистой молекулярной динамики математическая модель для описания начальной структуры микрогеля и дальнейшего получения данных о взаимосвязанном магнитном, структурном и механическом отклике.
Микроферрогель представлен набором взаимодействующих полимерных частиц, моделирующих сшитую структуру гидрогеля, и магнитных наночастиц, несущих магнитные дипольные моменты, соединенных таким образом, что их поступательные и вращательные (для магнитных наночастиц) степени свободы взаимосвязаны. Известные структурные типы микрогелей (с однородным распределением магнитных наночастиц; структуры типа «магнитное ядро + полимерная оболочка» и наоборот) описаны с помощью задания начальных положений частиц в виде слоистых сферических шаблонов. Разработанная процедура соединения магнитных и полимерных частиц шаблона позволила описать семейство магнитополимерных систем с различной степенью сшивки. С помощью разработанной модели получены данные о деформационных свойствах микрогеля в смысле способности изменять равновесный объем в зависимости от жесткости связей между частицами и числа присоединений (степени сшивки). Получен диапазон значений указанных параметров, при которых демонстрируется увеличение объема относительно предписанного начальными условиями на величину порядка 100% (количество присоединений = 6, типичная энергия упругих взаимодействия – порядка единиц энергии тепловых колебаний). Исследуется влияние размера полимерных частиц (т.е. доли потенциально занимаемой растворителем или переносимой субстанцией) на равновесный объем. Продолжается расчет и сравнение взаимосвязанного магнитного, структурного и механического поведения микроферрогелей во внешнем магнитном поле, сконструированных на основе 8-слойных шаблонов ,для трех типов морфологии, содержащих от 5% до 10% по количеству магнитных наночастиц, при варьировании интенсивности дипольного магнитного взаимодействия.