Регистрация / Вход
Прислать материал

14.575.21.0093

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.575.21.0093
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (государственный университет)"
Название доклада
Создание "умных" композиционных материалов с наноконтейнерами на основе микрогелей
Докладчик
Иванов Дмитрий Анатольевич
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Целью работы является разработка композиций и технологии получения новых адаптивных композиционных наноматериалов (далее — АКНМ) на полимерной основе с микрогелями, обладающими способностью контролируемым образом реагировать на изменяющиеся внешние воздействия, изменяя свои инкапсулирующие свойства для создания нано-контейнеров для доставки и абсорбции активных веществ.
Объектом разработки является подход создания новых наноструктурированных наночастиц гидрогелей (микрогелей), содержащих гидрофобные нанодомены с контролируемым размером и пространственным распределением внутри этих частиц.
Актуальность и новизна исследования
За последние годы всё больше и больше ученых привлекает исследование водных коллоидных микрогелей. Такая тенденция обусловлена уникальностью структуры и привлекательностью свойств этого важного класса полимерных систем. Доступность веществ и химическая активность внутренней структуры микрогеля вызвана её сшитым состоянием и обуславливает широкий спектр применения таких материалов. Наиболее часто используемыми материалами в фармацевтике для доставки лекарственных веществ являются либо мицеллы, либо системы типа ядро-оболочка. Но такие системы обладают одним, но очень важным недостатком — относительная низкая растворимость в воде из-за низкого содержания гидрофильных групп. Так же, после добавления лекарств они образуют огромные агрегаты, в которых лекарства не инкапсулированы, а адсорбированы на поверхности агрегатов. В рамках данного проекта мы решаем эти проблемы, создав уникальные водные микрогели с внутренними гидрофобными нанодоменами. Эти вещества из-за высокой гидрофильности будут сохранять коллоидную стабильность в воде. Кроме того, они смогут инкапсулировать различные соединения, включая биомолекулы и лекарства.
Описание исследования

Водные микрогели обладают огромным потенциалом для создания сложных частиц с заданными свойствами. Микрогели применяются для изготовления полых термочувствительных микрогелевых капсул, коллоидных кристаллов и доставки лекарств. Путем введения различных материалов, таких как сопряженные полимеры, белки, полупроводники, металлы или оксиды металлов, и биоминералы в виде наночастиц в пористую структуру микрогеля можно получить композиционные материалы субмикронного размера. Полученные многофункциональные коллоиды обладают совместными свойствами с функциональными материалами включенных в них добавок. Таким образом, на основе такого подхода нам удалось создать умные материалы с заданными характеристиками. Этот метод открывает новые возможности для применения коллоидных частиц в различных технологических системах. К тому же, микрогели могут выступать не только как контейнеры для осаждения, стабилизации и адресной доставки различных веществ, но и влиять на свойства наполнителя через стабильность, морфологию и функционализацию микрогелевой сетки. Перспективы водных микрогелей включают в себя разработку более сложных систем с возможностью контроля формы неорганических материалов под влиянием наноструктурированных агрегатов в полимерных сетках. Более того, микрогели могут выступать не только как контейнеры для осаждения, стабилизации и адресной доставки различных веществ, но и влиять на свойства наполнителя через стабильность, морфологию и функционализацию микрогелевой сетки. Перспективы водных микрогелей включают в себя разработку более сложных систем с возможностью контроля формы неорганических материалов под влиянием наноструктурированных агрегатов в полимерных сетках. 

Основное направление исследований связано с контролем морфологии и размеров нанокомпозиционных частиц микрогеля. Такой контроль  осуществлен благодря, использованию комплексного подхода, основанного на использовании современных экспериментальных методик, а именно, Фурье-ИК-спектроскопии, ДСР, ПЭМ и АСМ. Термочувствительность наночастиц контролируется методами ТГА, ДСК и ТМА. Поведение микрогелей в зависимости от внешних условий были проанализированы методами МУРР и БУРР на синхротронном источнике излучения. Методы ЯМР, УФ- и флуоресцентной спектроскопии были применены для изучения свойств инкапсуляции наночастиц микрогелей.

В рамках проекта был ​разработан способ создания АКНМ, включающий стадии синтеза водных микрогелей и их функционализации амфифильными лигандами. С помощью данного метода были получены экспериментальные образцы новых АКНМ на основе исходных и модифицированных микрогелей,  в том числе на основе N-винилкапролактама, содержащих гидрофобные нанодомены, структура и свойства которых могут быть изменены под внешним воздействиями.​

Для исследования фотооптических свойств экспериментальных образцов АКНМ была разработана специальная экспериментальная установка. Данная установка обладает следующими характеристиками:

- длина волны УФ-излучения – 254 нм;

- интенсивность излучения  - не менее 500 мВт/см2

- площадь облучаемой области – не менее 10 см2.

Для осущетвления экспериментов по исследования фотооптических свойств экспериментальных образцов АКНМ была разработана Программа и методики испытаний.

В рамках последнего этапа проекта были изготолвены следующие документы: Лабораторный технологический регламент получения АКНМ, проект технического задания на проведение ОТР по теме "Разработка технологии и организация производства новых АКНМ на основе комплексов поли-N-винилкапролактама/винилимидазола с низкомолекулярным лигандом" и ​технические требования и предложения по разработке и производству индустриального партнера – организации реального сектора экономики​.

Лабораторный технологический регламент получения АКНМ, оформлен с учетом Положения о технологических регламентах производства продукции на предприятиях химического комплекса.

Результаты исследования

Новые АКНМ состоят из частиц микрогеля, сформированного из блочного и статистического сополимера поли-N-винилкапролактама (PVCL), содержащего 5 мол-% винилимидазола (VIM). Наполнители, входящие в состав АКНМ состоят из нанодоменов амфифильных производных сульфоновой кислоты. Тип и величина отклика регулируются химической природой полимера и химической структурой низкомолекулярного лиганда. Эффективность инкапсулирования экспериментальных образцов АКНМ беспечивается за счет вариации размера лиганда.

Композиции новых АКНМ обеспечивают их контролируемый функциональный отклик на внешние воздействия со следующей чувствительностью:

- изменение максимума полосы поглощения при изменении температуры на 10К – не менее 2 нм;

- изменение размера частицы микрогеля при изменении температуры на 10К – не менее 10%;

- изменение ёмкости инкапсуляции микрогеля при изменении температуры на 10К – не менее 10%;

- изменение скорости высвобождения инкапсулированных веществ из микрогеля при изменении температуры на 10К – не менее 30%;

- изменение размера частицы при УФ-облучении – не менее 10%;

- изменение ёмкости инкапсуляции микрогеля при УФ-облучении – не менее 10%.

Микроструктура  водных  микрогелей,  модифицированных низкомолекулярными  лигандами  на  основе  амфифильных  кислот, исследовалась  при помощи синхротронного малоуглового рентгеновского рассеяния. Для рассчета структурных параметров  методом аппроксимации  экспериментальных  данных  было  использовано программное обеспечение, разработанное на первом этапе данного проекта. Было показано, что  данное  ПО  может  быть  успешно  применено  для  исследования  структуры  образцов  в условиях различных  внешних  воздействий  (температуры  и  УФ-облучения).  Была установлена  зависимость  толщины  гидрофильного  и гидрофобного  слоя  мезогенов  от температуры, что в дальнейшем позволит предсказывать характер и величину отклика новых АКНМ на внешние воздействия. 

Используя  лабораторную  методику  измерения кинетики инкапсулирования/декапсулирования гидрофобных молекул модифицированными микрогелями  было  осуществлено  исследование  влияния  температуры  и  УФ-излучения  на кинетику инкапсуляции  АКНМ.  Было  установлено,  что  разрабатываемые  в  ходе  ПНИ композиции новых АКНМ обладают контролируемым откликом на внешние воздействия с заданной чувствительностью. 

Изучение  влияния  структуры  микрогелей  на  их  абсорбционную  способность  было проведено  на  основании  лабораторной методики  анализа  структуры  и  фотооптических свойств  разрабатываемых  АКНМ,  созданной  на  третьем  этапе.  Было  установлено, что образцы  АКНМ  на  основе  блок-сополимеров  обладают  меньшей  термочувствительностью, чем образцы на основе статистических полимеров. 

При  помощи  метода  DLS  было  проведено  исследование  коллоидной  стабильности микрогелей в зависимости от рН, температуры, ионной силы и типа растворителя. На основе полученных результатов было  установлено, что  образцы АКНМ остаются стабильными во всех  диапазонах  исследуемых  величин.  Для  исследования  поверхностного  заряда  частиц была  измерена  электрофоретическая подвижность  микрогелей.  Результаты  показали,  что частицы  микрогелей  обладают  положительно  заряженной  поверхностью,  при этом  заряд остается стабильным в широком диапазоне температур и рН. 

Практическая значимость исследования
За последнее время водные микрогели стали одними из наиболее перспективных и исследуемых веществ в качестве интеллектуальных материалов, чувствительных к внешним воздействиям. С разнообразием возможности изменения внешних факторов растет и их область применения. Простой синтез и функционализация частиц микрогелей обеспечивает им широкий диапазон переменных для настройки их свойств, что выгодно контрастирует с другими полимерными частицами, используемыми для аналогичных приложений. Водные микрогели обладают проводящими, оптическими, фотоактивными и другими специфическими свойствами. Коллоидные микрогели обладают множеством привлекательных свойств, такими как контролируемая морфология, высокая пористость и регулируемые размеры, которые могут реагировать на изменения температуры, рН и качество растворителя. Такие системы способны действовать в качестве носителей различных лекарственных препаратов, биомолекул, синтетических полимеров, или неорганические нанокристаллов через жидкие среды. Эти свойства делают их наиболее интересными претендентами для потенциального применения в доставке лекарств и генов, катализе, зондировании, изготовлении фотонных кристаллов, и технологиях разделения и очистки. Микрогели универсальны, потому что они могут быть синтезированы с широким спектром свойств, их применение может быть дополнительно расширено за счет различных видов постмодификации различными реактивными группами, полимерными цепами, белками, благородными металлами и оксидами, а также биоминералами.
Возможность использования микрогелей для доставки лекарств является одной из интересных задач. Ключевыми факторами успешного использования частиц микрогеля в этой области являются их коллоидная стабильность и химический состав, позволяющие контролировать загрузку инородных молекул в полимерную сеть. Следующим шагом для расширения спектра применений является создание микрогелей, способных не только инкапсулировать гидрофильные препараты, но также связываться с гидрофобными или водонерастворимыми целями. Современное материаловедение уделяет большое внимание созданию «умных» адаптивных композиционных наноматериалов для применения в различных областях, таких как фармацевтика, топливная энергетика и нефтеперерабатывающая промышленность.