Тема: ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ГИБРИДНЫХ БИОДЕГРАДИРУЕМЫХ ВОЛОКНИСТЫХ СКЭФФОЛДОВ НА ОСНОВЕ ПОЛИ-З-ОКСИБУТИРАТА С УЛУЧШЕННЫМ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ОТКЛИКОМ

Актуальность работы. Постепенное повышение уровня и продолжительности жизни создает необходимость постоянной разработки и развития существующих технологий и материалов нового поколения для медицины. Активно ведутся исследования в области разработки биоразлагаемых и электроактивных пористых матриксов для предотвращения повторного хирургического вмешательства и сокращения срока восстановления пациентов. В особенности, уделяется внимание разработке таких матриксов на основе полимеров, которые позволяют обеспечить механические свойства близкие окружающим биологическим тканям. Благодаря наличию электрочувствительных тканей и клеток, электростимуляция позволяет увеличить эффективность восстановления поврежденных участков нервной, костной и других тканей. Обеспечение одновременно электростимуляции тканей и биоразлагаемости полимерных конструкций является важной научно-технической задачей. Для решения этой задачи может быть использован один из наиболее перспективных биодеградируемых полимеров поли-3-оксибутират (ПОБ), который обладает пьезоэлектрическими свойствами благодаря наличию a-фазы (сдвиговые компоненты пьезоотклика). Однако, ПОБ матриксы редко применяются для замещения и восстановления дефектов биологических тканей по сравнению материалами на основе не биодеградируемого поливинилиденфторида (ПВДФ), обладающего более высоким пьезооткликом.
Применение различных нано- и микроструктурных наполнителей на основе восстановленного оксида графена (ВОГ) позволяет усилить пьезоотклик полимеров. Добавление таких наполнителей в структуру пьезоэлектрических полимеров приводит к формированию электроактивной 0-фазы, которая имеет сдвиговые и нормальные компоненты пьезоотклика, что является важным для биомедицинских применений, где имплантат может испытывать различного рода механическую деформацию.
Влияние ВОГ на структуру, физические механизмы формирования 0- фазы и пьезоэлектрические свойства ПОБ полно не изучено. В настоящее время отсутствуют феноменологические модели структурообразования гибридных ПОБ матриксов, что ограничивает возможность их получения с заранее заданными свойствами. Таким образом, фундаментальное исследование структурно фазовых изменений, определяющих физикомеханические и пьезоэлектрические свойства гибридных ПОБ матриксов, является важной задачей физики конденсированного состояния и биомедицинского материаловедения.
Степень разработанности темы исследования. ПОБ - один из наиболее широко известных полимеров среди природных биодеградируемых полиоксиалконоатов. Помимо высокой биосовместимости, природный ПОБ обладает сдвиговым пьезооткликом, наличие которого обусловлено антипараллельно расположенной спиральнообразной молекулярной структурой (a-фаза), которая имеет орторомбическую кристаллическую упаковку пространственной группы Р212121. Для данной кристаллической симметрии свойственны только сдвиговые компоненты (di4, (I25, dse) тензора пьезоотклика. Однако, последние исследования показали наличие эффективного нормального пьезоэлектрического отклика (Д?з ~ 2-4 пКл/Н) нетканых волокнистых ПОБ матриксов [1, 2]. В качестве одной из возможных причин указано формирование электроактивной зигзагообразной молекулярной структуры (0-фаза). Однако, фундаментальные исследования, позволяющие установить взаимосвязь между структурой и локальными пьезоэлектрическими свойствами ПОБ матриксов, отсутствуют в литературе.
В настоящее время применение биодеградируемых ПОБ матриксов в регенеративной медицине ограничено в связи с более низкими пьезосвойствами по сравнению с другими аналогами, как не биодеградируемый ПВДФ. Один из наиболее простых и эффективных способов усиления пьезоотлика полимеров - использование наноразмерных наполнителей. Нанопластинки двухмерного (2-Д) восстановленного оксида графена (ВОГ) получили широкое применение для этой задачи благодаря его биосовместимости, уникальным физическим свойствам, высокой удельной площади поверхности и возможности ее модифицирования. Однако, влияние ВОГ на структуру, физико-механические и пьезоэлектрические свойства ПОБ матриксов не установлено в настоящее время.
Цель настоящего диссертационного исследования заключается в изучении закономерностей формирования структуры гибридных электроформованных ПОБ микроволокон, а также влияния ВОГ на механические свойства, пьезоотклик и поверхностный потенциал ПОБ скэффолдов.
В рамках поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
1) Изучить влияние ВОГ на структуру и физико-механические свойства биорезорбируемых З-Д ПОБ скэффолдов, полученных методом электроформования.
2) Установить влияние ВОГ на молекулярный состав, поверхностную энергию и поверхностный потенциал гибридных ПОБ скэффолдов.
3) Изучить локальные пьезоэлектрические свойства ПОБ микроволокон: вертикальная и латеральная компоненты пьезоотклика. Установить влияние ВОГ на эффективный локальный пьезоотклик ПОБ микроволокон.
4) Исследовать влияние деполимеризации, вызванной гидролизом, на состав и структуру гибридных ПОБ матриксов, определяющих их поверхностный потенциал, механические и пьезоэлектрические свойства.
5) Выполнить моделирование упругих свойств пьезоэлектрической а-фазы и пьезоэлектрического отклика ПОБ микроволокон с помощью первопринципного подхода (ab initio) и метода конечных элементов.
6) Разработать феноменологическую модель, позволяющую прогнозировать структурно-фазовые изменения в гибридных электроформованных ПОБ-ВОГ микроволокнах.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1) Выявлено влияние ВОГ на кристаллическую структуру и молекулярный состав ПОБ микроволокон.
2) Разработана феноменологическая модель, описывающая структурно-фазовые изменения в гибридных пьезоэлектрических биоразлагаемых ПОБ-ВОГ скэффолдах.
3) Показано, что наличие полярных групп на поверхности ВОГ приводит к увеличению потенциала поверхности микроволокон и улучшению смачиваемости скэффолдов на основе ПОБ и ВОГ.
4) Впервые измерены компоненты (латеральная и вертикальная) локального эффективного пьезоотклика ПОБ микроволокон.
5) Установлено, что максимальное усиление пьезоотклика электроформованных композитных ПОБ микроволокон достигается при добавлении 0,7 мас.% ВОГ.
6) Установлен более низкий локальный вертикальный пьезоотклик по сравнению с латеральным пьезооткликом ПОБ микроволокон на основе а- фазы с помощью метода конечных элементов. Рассчитаны упругие свойства орторомбической a-фазы ПОБ пространственной группы Р212121 с помощью первопринципного похода (ab initio).
7) Впервые изучено влияние структурно-фазовых изменений, вызванных деполимеризацией ПОБ, вследствие гидролиза на морфологию, поверхностный потенциал, пьезоэлектрические и механические свойства ПОБ-ВОГ скэффолдов.
Теоретическая значимость работы. Установлена взаимосвязь между составом, структурой и свойствами гибридных ПОБ-ВОГ микроволокон. Разработана феноменологическая модель, позволяющая объяснить структурно-фазовые изменения в гибридных ПОБ-ВОГ микроволокнах,
8 сформированных методом электроформования. Выполнен расчет констант упругих свойств a-фазы и получены результаты моделирования пьезоотклика ПОБ микроволокон на основе а-фазы с помощью первопринципного подхода и метода конечных элементов.
Практическая значимость работы. Полученные результаты диссертационного исследования играют важную роль в области медицинской инженерии и материаловедения для разработки новых имплантатов. В результате исследования установлено, что добавление 0,7 мас.% ВОГ позволяет увеличить латеральную и вертикальную компоненты локального пьезоотклика электроформованных ПОБ микроволокон в 1,7 и 2,5 раза, соответственно. Показано, что повышение содержания ВОГ до 1,0 мас.% в гибридных ПОБ-ВОГ скэффолдах приводит к увеличению потенциала поверхности микроволокон с 33 ± 29 мВ до 314 ±31 мВ и улучшению смачиваемости поверхности. Выявлено взаимодействие ВОГ с полимерными цепями ПОБ. Определено, что добавление ВОГ приводит к уменьшению диаметра гибридных ПОБ-ВОГ микроволокон и следующим структурнофазовым изменениям, обуславливающим изменение физико-механических свойств: увеличение содержания аморфной фазы; снижение размеров кристаллитов сдвиговой пьезоэлектрической а-фазы (спиралевидная конформация); повышение содержания пьезоэлектрической 0-фазы (зигзагообразная конформация). Изучено влияние деполимеризации ПОБ, вызванной гидролизом, на морфологию, структуру и свойства разработанных гибридных скэффолдов с улучшенным пьезооткликом.
Методология и методы исследования. Исследование распределения электрического потенциала поверхности и локальных пьезоэлектрических свойств микроволокон было выполнено с помощью сканирующей зондовой микроскопии. Для исследования изменений кристаллической структуры скэффолдов использовался метод рентгенофазового анализа (РФА). Изменения молекулярного состава в электроформованных гибридных ПОБ- ВОГ скэффолдах было установлено с помощью рентгеновской
9 фотоэлектронной и инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье, а также спектроскопии комбинационного рассеяния. Для изучения морфологии поверхности З-Д волокнистых матриксов использовалась растровая электронная микроскопия. Для количественной оценки содержания кристаллической и аморфной фаз в гибридных скэффолдах был использован метод дифференциальной сканирующей калориметрии. Физикомеханические свойства скэффолдов были исследованы с помощью испытаний на растяжение. Смачиваемость поверхности разработанных скэффолдов определена с помощью метода сидячей капли. Расчёт поверхностной энергии (ПЭ) был выполнен с помощью метода Оунса, Вендта, Рабеля и Кьельбле. Компьютерное моделирование механических свойств и пьезоотклика а-фазы ПОБ было выполнено с помощью первопринципного подхода и метода конечных элементов, соответственно.
Положения, выносимые на защиту:
1) Увеличение содержания ВОГ в З-Д электроформованных ПОБ скэффолдах приводит к уменьшению диаметра микроволокон и структурнофазовым преобразованиям: увеличение содержания аморфной фазы, снижение размеров кристаллитов сдвиговой пьезоэлектрической а-фазы и повышение содержания пьезоэлектрической P-фазы. В результате происходит изменение физико-механических свойств (модуль Юнга, предел прочности на разрыв) гибридных ПОБ матриксов.
2) Увеличение содержания ВОГ приводит к росту содержания полярных групп на поверхности гибридных электроформованных ПОБ-ВОГ микроволокон, что сопровождается увеличением их поверхностной энергии и потенциала.
3) Добавление 0,7 мае. % ВОГ значительно увеличивает вертикальную и латеральную компоненты (в 2,5 и 1,7 раза) локального пьезоотклика электроформованных ПОБ микроволокон. При этом дальнейший рост пьезоотклика гибридных микроволокон достигается деполимеризацией аморфной фазы полимера в результате гидролиза.
4) Феноменологическая модель объясняет структурные преобразования в электроформованных гибридных ПОБ-ВОГ микроволокнах, заключающиеся во встраивании ВОГ между ламелями (а- фаза), что приводит к снижению их размеров и формированию зигзагообразной конформации (0-фаза). Увеличение концентрации ВОГ более 0,7 мас.% в гибридных микроволокнистых ПОБ-ВОГ скэффолдах приводит к повышению содержания аморфной фазы, обусловленному сдерживанием формирования 0-фазы и снижением размеров ламелей.
Достоверность результатов достигается применением общепринятых методик проведения измерений на калиброванном высокоточном оборудовании, многократным повторением экспериментов для достижения надежной статистики, детальным анализом и сопоставлением результатов с работами других авторов.
Апробация. Частично результаты исследования докладывались на различных международных и всероссийских научных конференциях для студентов и молодых ученных: International conference on «Nano-Bio-materials and their Raman characterization» (Бельгия, г. Гент, 2017 г.); XIV Международная конференция "Перспективы развития фундаментальных наук" (Россия, г. Томск, 2017 г.); XVI Российская научная студенческая конференция по физике твердого тела (Россия, г. Томск, 2018 г.), 29th annual congress of the European society for biomaterials (Нидерланды, г. Маастрихт, 2018); Biomaterials and novel technologies for healthcare: 2nd Biennial Conference BIOMAH (Италия, г. Рим, 2018 г.); UK-Russia Workshop «Prevention of microbial contamination of biomaterials for tissue regeneration and wound healing» (Великобритания, г. Ланкастер, 2018 г.); International symposium on «Energy harvesting materials and devices» (Германия, г. Кёльн, 2019 г.); International workshop «Tissue engineering therapies: from concept to clinical translation and commercialization» (Греция, о. Родос, 2019 г.); UK- Russia Workshop «Patient-tailored biomaterials for tissue regeneration, combating microbial contamination and drug delivery» (Великобритания, г. Ланкастер,
2019 г.); 10 years of G-risc and Beyond (Германия, г. Берлин, 2019 г.) Scanning
Probe Microscopy; Russia-China Workshop on Dielectric and Ferroelectric Materials (Россия, г. Екатеринбург, 2019 г.); Международная научнотехническая молодежная конференция «Перспективные материалы конструкционного и функционального назначения» (Россия, г. Томск, 2020 г.); Международный конгресс «Materials science and engineering» (Германия, г. Кёльн, 2020 г.); Международная онлайн-конференция «Исследование сегнетоэлектрических материалов российскими учеными. Столетие сегнетоэлектричества» (Россия, г. Екатеринбург, 2020 г.); XXII
Всероссийская конференция по физике сегнетоэлектриков (Россия, г. Екатеринбург, 2021 г.)
Публикации. Результаты диссертационного исследования Чернозем Р.В. опубликованы в виде 42 научных трудов, из которых 16 в зарубежных изданиях, индексируемых в Scopus и Web of Science, 2 в реферируемых журналах, входящих в перечень ВАК, и 25 в сборниках трудов различных всероссийских и международных конференций.
Личный вклад автора. Автор выполнил анализ существующих литературных данных, посвящённых получению и исследованию новых типов гибридных пьезоэлектрических материалов для регенеративной костной инженерии, постановку цели и задач диссертационного исследования, планирование и получение экспериментальных результатов, их интерпретацию и обсуждение на всероссийских и международных конференциях, написание публикаций, тезисов докладов, диссертации и положений, выносимых на защиту.
Работа выполнялась в рамках партнерского соглашения, регулирующего совместное научное руководство и присуждение кандидатской/докторской степени между Национальным исследовательским Томским политехническим университетом и Гентским университетом (Бельгия) от 21 мая 2021 г.
Данная работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда № 18-73-10050 «Получение и исследование гибридных биодеградируемых скэффолдов на основе пьезополимеров и оксида графена с улучшенными электрофизическими и механическими характеристиками» (2018-2020 гг.), гранта Президента для поддержки молодых ученых кандидатов наук №МК-6459.2016.8. (Мероприятие 260.1, тема: 20.1907.2018) «Получение и исследование биодеградируемых скэффолдов для регенеративной медицины с определенным по величине и полярности поверхностным потенциалом» (2017-2018 гг.), Госзадание НАУКА 11.1233.2017/ПЧ «Исследование физических механизмов получения новых типов композитных скэффолдов с пьезоэлектрическим эффектом и поверхностным потенциалом для регенеративной медицины» (2016-2018 гг.), индивидуальный грант специального исследовательского фонда BOF16/FJD/029 для обучения по программе двойной аспирантуры в Гентском Университете (Бельгия, 2017-2021 гг.).
Объем и структура работы. Диссертационное исследование состоит из введения, 4 глав, выводов по каждой из глав, заключения и списка использованной литературы, состоящего из 176 наименований. Полный объем машинописного текста составляет - 127 страниц, включая 41 рисунков и 3 таблицы.
Благодарности. Автор диссертационного исследования выражают свою искреннюю благодарность научному руководителю д.т.н. Р.А. Сурменеву за участие в организации экспериментов, постоянную помощь в анализе результатов и подготовке диссертации; к.ф-м.н. М.А. Сурменевой за плодотворное обсуждение результатов, ценные замечания и комментарии; Ю.Р. Мухортовой, А.Ф. Анюгину, к.т.н. С.Н. Шкариной, к.ф-м.н. (PhD) И.Ю. Грубовой, П.В. Чернозем и И. Парий за помощь в получении образцов и проведении экспериментов. Коллегам Гентского Университета (Бельгия): PhD А.А. Абалымову, к.ф-м.н. Б.В. Парахонскому и проф. А.Г. Скиртачу за организацию и помощь в проведение механических испытаний и in vitro
13
тестирований. Также автор благодарен коллегам Университета Авейру
(Португалия): к.ф-м.н. А. Холкину и к.ф-м.н. К.Н. Романюку за приглашение,
помощь в проведении исследований и анализе пьезоэлектрических свойств,
полученных в ТПУ гибридных матриксов. Также немецким коллегам: проф.
Др. Т. Баумбаху, Др. Б. Краузе, проф. Др. М. Эппле, проф. Др. М. Ульбрихту,
проф. Др. С. Матуру за дружественный прием, поддержку, помощь в
организации экспериментов, неоценимые замечания и комментарии анализа
результатов.
Купить

В рамках диссертационного исследования были получены следующие основные результаты:
1) Установлено, что добавление ВОГ до 1,0 мае. % приводит к снижению среднего диаметра микроволокон с 2,1 ± 0,4 мкм до 1,5 ± 0,3 мкм, размеров кристаллитов a-фазы (ламели) с 26 нм до 23 нм для (020) плоскости и с 24 нм до 19 нм для (110) плоскости, а также модуля Юнга с 128,7=1=1,3 МПа до 80,6±13,5 МПа и предела прочности с 2,5±0,2 МПа до 1,9±0,2 МПа. При этом относительное удлинение скэффолдов до разрыва не изменяется и наблюдается повышение содержания 0-фазы в гибридных ПОБ-ВОГ микроволокнах.
2) Разработана феноменологическая модель, позволяющая объяснить структурно-фазовые преобразования в гибридных ПОБ-ВОГ микроволокнах в зависимости от содержания ВОГ. Добавление ВОГ в электроформованные ПОБ микроволокна при концентрациях менее 0,7 мас.% приводит к его встраиванию между ламелями (сдвиговая пьезоактивная а- фаза), что сопровождается снижением их размеров и формированием между ними зигзагообразной конформации (нормальная и сдвиговая пьезоактивная 0-фаза). Увеличение содержания ВОГ до 0,7 мас.% и более сдерживает формирование 0-фазы и существенно снижает размеры ламелей, что приводит к повышению содержания аморфной фазы в микроволокнах ПОБ.
3) Установлено, что взаимодействие ВОГ (1,0 мае. %) с полимерными цепями приводит к существенному увеличению потенциала поверхности ПОБ микроволокон с 33 ± 29 мВ до 314 ±31 мВ. Повышение поверхностного потенциала гибридных микроволокон вследствие увеличения содержания полярных функциональных С=О групп на их поверхности приводит к росту вклада дисперсионной составляющей в поверхностную энергию и улучшению смачиваемости поверхности скэффолдов.
4) Впервые измерены локальные вертикальная (0,18 ± 0,04 пм/В) и латеральная (0,34 ± 0,03 пм/В) компоненты пьезоотклика электроформованных ПОБ микроволокон, наличие которых обусловлено полиморфизмом структуры ПОБ (a-фаза (спиралевидная конформация) и 0- фаза (зигзагообразная конформация)).
5) Установлено, что в случае гибридных ПОБ-ВОГ микроволокон пьезоотклик значительно выше по сравнению с чистым ПОБ. Максимальное увеличение локального вертикального (0,45 ± 0,08 пм/В) и латерального (0,56 ± 0,12 пм/В) пьезоотклика гибридных ПОБ-ВОГ микроволокон достигается при 0,7 мас.% ВОГ вследствие более высокого содержания пьезоактивной 0-фазы.
6) Показано, что деполимеризация аморфной фазы в ПОБ скэффолдах приводит к увеличению содержания кристаллической фазы, определяющей повышение поверхностного потенциала и пьезоотклика микроволокон.
7) Методом конечных элементов установлен существенно более низкий локальный вертикальный пьезоотклик по сравнению с латеральным пьезооткликом ПОБ микроволокон на основе a-фазы. С помощью первопринципного подхода были рассчитаны матрица компонент тензора жесткости и физико-механические свойства (модуль Юнга Е = 7,92 ГПа, объемный модуль упругости К = 6,35 ГПа, модуль сдвига б/= 3,07 ГПа) орторомбической элементарной ячейки (а = 5,86, Ъ = 13,40, с = 6,05 А)) а- фазы пространственной группы Р212121, содержащей 48 атомов.

Купить