Российские ученые совместно с коллегами из Бразилии и Португалии разработали новый композитный материал, способный менять температуру и размеры под действием магнитного и электрического полей. Благодаря этим свойствам и безопасности для организма «умные» материалы могут использоваться для изготовления имплантатов или покрытий для них, одновременно выполняющих роль сенсоров.

Статья опубликована в журнале Scientific Reports.

Композиты — новый вид материалов, состоящих из разнородных веществ (металлов, керамики, стекла, пластмассы, углерода и так далее) и способных сочетать их свойства. Например, в пластичную основу — матрицу — помещают наполнитель, обладающий необходимой прочностью и жесткостью. Разнообразные составы и соотношение матриц и наполнителей позволяют создавать широкий спектр материалов с нужным набором свойств. Это открывает огромные перспективы для их применения, от строительства и энергетики до медицины и космических исследований. На сегодняшний день одними из самых многообещающих и перспективных «умных» материалов для биомедицинских приложений являются полимерные композиты.

Ученые из Балтийского федерального университета имени И. Канта и Института физики имени Х. И. Амирханова Дагестанского федерального исследовательского центра РАН совместно с зарубежными коллегами применили такой подход в разработке «умных» материалов для новых биоимплантатов.

Идея авторов заключается в том, чтобы кроме выполнения основной функции имплантат работал как сенсор (то есть измерял температуру и другие показатели тела пациента в реальном времени), а также в нужное время и в нужном количестве высвобождал необходимое лекарство.

Для этого ученые подбирают сочетание материалов, обладающее необходимыми свойствами. В недавно опубликованном исследовании они изучили свойства композита на основе магнитных микрочастиц соединения гадолиния, кремния и германия Gd₅(Si,Ge)₄, встроенных в матрицу из поливинилденфторида (PVDF).

PVDF — гибкий и биосовместимый (то есть не оказывающий отрицательного воздействия на организм) полимер, который используется как шовный материал в хирургии. Кроме того, он обладает пьезоэлектрическими свойствами (при растяжении или сжатии на нем появляется электрическое напряжение — прямой пьезоэффект, а при подаче напряжения он начинает менять свои размеры — обратный пьезоэффект), благодаря которым с успехом применяется в сенсорах.

Ученые использовали этот полимер и для создания новых магнитоэлектрических материалов, таких как композитные мультиферроики. Они обладают магнитными и сегнетоэлектрическими свойствами, которые взаимоуправляемы, то есть их электрическими свойствами можно манипулировать через магнитное поле и, наоборот, магнитными — через электрическое. Такие характеристики поливинилденфторида позволяют рассматривать его в качестве основы для покрытия имплантатов, а возможно, и самих имплантатов.

«Новизна нашего подхода — в использовании необычных магнитных частиц в качестве наполнителя в пьезополимерной матрице. Наряду с магнитными свойствами они обладают еще и магнитокалорическим эффектом, то есть меняют свою температуру под действием магнитного поля. Магнитокалорические материалы — перспективные соединения для создания альтернативных систем охлаждения, или, проще говоря, “магнитных холодильников”. Недавно было предложено использовать их для биомедицинских приложений, – рассказал один из исследователей, старший научный сотрудник Лаборатории новых магнитных материалов БФУ Карим Амиров. – Для изготовления магнитоэлектрических “умных” композитов в полимер PVDF, растворенный в органическом растворителе диметилформамида, добавляют и однородно распределяют магнитокалорические частицы. Потом смесь сушат по отработанному температурному и временному протоколу. В результате получается гибкая пьезополимерная пластинка заданной формы со встроенными магнитными частицами, которая довольно легко режется ножницами».

Таким образом, использовав новые магнитные частицы с магнитокалорическим эффектом, ученые получили новый «умный» композит с двумя совмещенными эффектами — магнитоэлектрическим и магнитокалорическим. Первый позволяет использовать полимерный композит как сенсор, чувствительный и к магнитному, и к электрическому полю. Второй эффект дает возможность применять материал как нагревательный или охлаждающий элемент при изменении магнитного поля.