Разработка способов получения и исследование биосовместимых магнитоэлектрических композитных скэффолдов для биомедицинских приложений

Поиск инструментов для управления магнитными и магнитоэлектрическими свойствами материалов имеет важную фундаментальную и практическую значимость для материаловедения и медицины. Характеристики индивидуальных компонентов и способ их введения в состав композита влияют на его однородность, магнитные, пьезоэлектрические и другие свойства. Материалы с магнитоэлектрическими свойствами являются перспективными для использования в регенеративной медицине при неинвазивной стимуляции различных клеток тканей человека во внешнем магнитном поле. Другой, не менее важной областью применения таких материалов является фармацевтика, где они могут быть использованы для создания систем адресной доставки лекарств. Понимание механизма воздействия магнитоэлектрических материалов на клетки различных тканей и принципа адресной доставки и высвобождения лекарств позволит улучшить глобально продолжительность и качество жизни людей, а также уровень оказания медицинской помощи пациентам. С точки зрения практического применения интерес представляют композиты на основе биосовместимых пьезоэлектрических полимеров. Среди магнитоэлектрических материалов наибольший интерес представляют полимерные композиционные материалы, которые, в отличие от чистых полимерных материалов, характеризуются улучшенными свойствами. Композиционные магнитоэлектрические материалы состоят из пьезоэлектрической и магнитной фазы. Поливинилиденфторид (PVDF) является одним из наиболее распространенных пьезоэлектрических полимеров. Для дальнейшего улучшения характеристик полимера были разработаны различные сополимеры PVDF, такие как поли(винилиденфторид-со-трифторэтилен) (P(VDF-TrFE)). Для биомедицинских приложений наиболее подходящим магнитным наполнителем являются наночастицы магнетита (Fe3O4), которые, помимо своих магнитных свойств, также обладают биосовместимостью, нетоксичностью, термической и химической стабильностью, а также возможностью функционализации. Принимая во внимание сформулированную научную проблему, данный проект посвящен разработке способа получения магнитоэлектрических композиционных скэффолдов на основе P(VDF-TrFE) и изотропных и анизотропных наночастиц магнетита с заданной величиной магнитоэлектрического эффекта как перспективных материалов для регенеративной медицины и фармацевтики. Научная новизна проекта заключается в получении перспективных магнитоэлектрических композитных скэффолдов на основе P(VDF-TrFE) и изотропных и анизотропных наночастиц магнетита и в комплексном исследовании влияния их структуры, состава, морфологии и других физико-химических свойств на величину магнитоэлектрического эффекта. Применительно к композитным скэффолдам P(VDF-TrFE)/Fe3O4 впервые будут разработаны подходы к улучшению пьезоэлектрических и биологических свойств материалов путем их модификации биосовместимым белками и/или аминокислотами при совместном электроспиннинге из одного раствора и/или коаксиальном электроспиннинге. Для успешной реализации проекта будут решены следующие задачи: 1. Разработка подходов к синтезу изотропных и анизотропных наночастиц магнетита и к функционализации их поверхности различными органическими соединениями и/или полимерами. 2. Установление факторов, влияющих на соотношение длины к диаметру наностержней магнетита, и механизмов их формирования. 3. Получение скэффолдов на основе P(VDF-TrFE) и композитов с изотропными и анизотропными наночастицами магнетита c заданным размером волокон и равномерным распределением наполнителя методом электроспиннинга из раствора. 4. Исследование физико-химических, магнитных, пьезоэлектрических свойств и сравнительная оценка композитных скэффолдов на основе изотропных и анизотропных функционализированных наночастиц магнетита. 5. Разработка способа получения композитных скэффолдов с улучшенными пьезо- и магнитоэлектрическими характеристиками. 6. Установление связи структуры, морфологии, фазового состава и намагниченности полученных композитов с его пьезоэлектрическими и магнитоэлектрическими характеристиками. 7. Получение магнитоэлектрических композитных скэффолдов, наполненных модельным лекарством, и исследование профиля его высвобождения. 8. Оценка биологических свойств магнитных наночастиц и композитных скэффолдов на их основе в модельных исследованиях in vitro в статических условиях и под воздействием внешнего магнитного поля.