Аннотация результатов, полученных в 2014 году
1. Получение и комплексная аттестация порошков магнитных наполнителей для выполнения целей проекта Проведена комплексная аттестация магнитных порошкообразных материалов, используемых для синтеза наполненных магнитополимерных феррогелей. Список наполнителей включает магнитотвердые материалы SrFe12O19, NdFeB, магнитомягкие материалы на основе нанодисперсных порошкообразных железа, никеля, магнетита, маггемита, суперпарамагнитные наночастицы на основе нестехиометрических оксидов железа, полученных высокоэнергетическим физическим диспергированием в газовой среде, а также высокодисперсные наполнители на основе оксидов кремния и алюминия для систем сравнения. 2. Синтез композитных гелей. Отработана методика синтеза композитных магнитоактивных гидрогелей (феррогелей) с магнитными частицами различной природы на основе полимерных матриц полиакриламида, полиакриловой и полиметакриловой кислот и их полимерных солей. Установлены закономерности синтеза композитных феррогелей в зависимости от природы мономеров и магнитных наполнителей. Присутствие в реакционной массе магнитных частиц оксидной природы не сказывается на кинетике полимеризации акриламида. В противоположность этому магнитные наполнители металлической природы ингибируют реакцию синтеза геля. Равномерное распределение магнитного материала в геле с диспергированием до отдельных частиц достигается при использовании суперпарамагнитных наночастиц на основе оксидов железа, которые образуют устойчивые де-агрегированные суспензии в водной среде. При использовании в качестве магнитного материала более крупных частиц, магнитотвердых частиц, частиц металлической природы происходит сильное их агрегирование за счет магнитных диполь-дипольных взаимодействий. Структурой агрегатов можно управлять. В частности, проведение полимеризации гидрогеля во вращающемся магнитном поле приводит к формированию пространственной сетки линейных агрегатов, занимающей весь объем образца. 3. Степень набухания и магнитострикция композитных феррогелей. Для композитных феррогелей на основе полиакриламида, в которых в качестве магнитной фазы использовались частицы феррита стронция, металлического никеля, маггемита была установлена тенденция увеличения степени набухания полимерной матрицы с ростом степени наполнения. Для композитных наполненных гидрогелей полиэлектролитной природы на основе сополимера акриламида и акрилата калия показано, что подобно ненаполненным гидрогелям они претерпевают резкое сжатие (коллапс) при ухудшении качества растворителя в результате добавления в систему ацетона. При этом значение пороговой концентрации ацетона зависит от магнитных свойств наполнителя композитного геля. Наличие остаточного магнитного момента является благоприятным фактором для устойчивости гидрогеля к ухудшению качества растворителя. Для образца феррогеля цилиндрической формы на основе было обнаружено, что приложение магнитного поля 365 мТл вызывает уменьшение размеров и объема геля хорошо описываемое функцией экспоненциального спада с характерным временем около 120 мин. Фактор анизотропии – отношение продольного размера геля к его поперечному размеру для феррогеля увеличивается по мере воздействия магнитного поля, что соответствует положительной магнитострикции образца на фоне общего сжатия. Обнаруженная закономерность находится в соответствии с имеющимися теоретическими оценками взаимосвязи магнитострикции феррогелей с изменением их объема. 4.Теория упругих свойств магнитополимерных композиций Развита теория магнитодеформаций и упругих свойств магнитного геля со свободными границами. Теория основана на предположении об однородном (как в идеальном газе) взаимном расположении частиц и афинности деформаций образца (взаимное смещение материальных частиц геля вблизи частиц наполнителя подобно среднему смещению в образце). Модель позволяет оценивать зависимость модуля Юнга композита и величины его магнитострикции от формы образца, концентрации частиц и напряженности приложенного магнитного поля. Разработана теория магнитодеформации феррогелей, обобщающая и уточняющая описанную в п.1 простую модель. Теория позволяет учесть пространственные корреляции расположений частиц магнитного наполнителя (модель плотного газа твердых частиц) и специфику деформации гелевой матрицы вблизи твердой частицы. Модель позволяет добиться лучшего количественного согласия с экспериментами, чем простая модель п.1, но в математическом отношении существенно более сложная и громоздкая. Развита теория магнитоупругих напряжений в магнитном геле с фиксированными границами. Рассмотрена типичная экспериментальная ситуация с цилиндрическим несжимаемым образцом фиксированной длины, помещенном в однородное магнитное поле, направленное вдоль оси образца. Расчет магнитоупругих напряжений проведен на основе модели, описанной в п.2. Результаты расчетов хорошо соответствуют проведенным экспериментам 5. Исследование физических свойств композитных магнитоуправляемых матриц. Тестирование физических свойств магнитных гелей ПАА 1,6 1:100 с различной концентрацией оксида железа выявило ряд неожиданных феноменов. Во-первых, магнитные гели обладают электрохимическим потенциалом, величина которого зависит от степени наполнения геля наночастицами оксида железа. Причем, чем больше концентрация оксида железа, тем меньше значение потенциала по абсолютной величине. Во-вторых, магнитные гели, помещенные в солевой раствор, в постоянном электрическом поле демонстрируют сложное механическое поведение, которое проявляется изгибом образцов в направлении катода. Амплитуда изгиба тем больше, чем выше концентрация соли в растворе, причем при больших концентрация магнитные гели совершают колебательное движение, последовательно отклоняясь к катоду и аноду. Кроме того, установлено, что модуль Юнга тестируемого геля значимо не зависит от его наполнения наночастицами, а упругие свойства магнитного геля достаточно однородно распределены по длине образца.

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
Вязкоупругие и электрические свойства гелей на основе акриламида с различной молярной концентрацией мономеров и степенью сшивки 1:100 были тестированы с целью поиска полимерных матриц, оптимальных для биомедицинских приложений. В качестве загустителя были использованы гуар и ксантан. Гели были наполнены различной концентрацией наночастиц маггемита (Fe2O3) или металлического железа (Fe), а также микрочастицами магнетита (Fe3O4) или гексаферрита стронция (SrFe12O19). Весовая концентрация наполнителя варьировалась от десятых долей до нескольких десятков процентов. Для каждого типа гелей было тестировано от 5 до 10 образцов. В целом, количество экспериментов в данном направлении работ превысило 900 единиц. Установлено, что изменение молярной концентрации мономеров при синтезе геля на основе акриламида существенным образом влияет на его жесткость. Установлено также, что при прочих равных условиях упругие свойства гелей зависят от типа загустителя. Так, в незаполненных магнитными частицами образцах гуар увеличивает Модуль Юнга примерно в два раза, а ксантан в три. Установлено, что вне зависимости от условий синтеза гелей увеличение весовой концентрации магнитных частиц в структуре образцов приводит к возрастанию жесткости полимера. Данный вывод одинаково справедлив как для магнитных наночастиц, так и магнитных микрочастиц. Вид связи Модуля Юнга от концентрации частиц имел сложный характер и зависел от ряда факторов. А именно, от концентрации мономеров акриламида, типа загустителя и типа магнитных частиц. Установлено также, что концентрация мономеров акриламида и добавление загустителя в состав геля при синтезе в значительной мере модифицируют упругие свойства образцов. Эффективная вязкость гелей варьировала в широком диапазоне (5-400 кПа*с) в зависимости от концентрации мономеров акриламида, типа загустителя и концентрации магнитных частиц различной природы. В целом, полученные результаты свидетельствуют, что упругие свойства тестированных феррогелей соответствуют требованиям для полимерных материалов, используемых в целях инженерии тканей. Важно, что при данной концентрации магнитных частиц в феррогеле, его упругие свойства могут быть изменены в широком диапазоне при синтезе полимера за счет вариации концентрации мономеров и типа загустителя. Установлено, что вне зависимости от размера магнитных частиц их присутствие в структуре геля приводит к увеличению его электрического потенциала по абсолютной величине. Причем, вид связи потенциала от концентрации магнитных частиц зависит от размера и природы наполнителя. Так для наночастиц маггемита и металлического железа потенциал значительно увеличивается при минимальной концентрации частиц, мало изменяясь при дальнейшем увеличении концентрации. Для микрочастиц магнетита и гексаферрита стронция обнаруживается монотонное, близкое к линейному увеличение потенциала в зависимости от концентрации частиц. Кроме того, для этих же феррогелей установлено, что при данной концентрации частиц негативное значение потенциала тем больше, чем больше молярная концентрация мономеров полимера была задана при синтезе. Данный факт может играть ключевую роль при оптимизации электрических свойств магнитных полимерных матриц. Развита теоретическая модель, описывающая изменение электрического потенциала волокна гидрогеля в растворе электролита при изменении его длины. Модель развита с целью описания экспериментов, проведенных участниками проекта при его выполнении. С этой целью рассмотрено длинное цилиндрическое волокно гидрогеля, находящееся в некоторой жидкой среде. Предполагается, что, в соответствии с экспериментальной ситуацией, в среде имеются ионы растворенных солей магния и кальция, на цепочках макромолекул гидрогеля адсорбируются отрицательные ионы. Для электростатического потенциала внутри и вне волокна гидрогеля, а также концентраций подвижных ионов записана система уравнений Пуассона – Больцмана. Оценки показывают, что для рассматриваемой экспериментальной ситуации традиционное линейное приближение Дебая-Хюккеля вполне оправдано. Поэтому система уравнений Пуассона- Больцмана линеаризована в соответствии с этим приближением. Естественно предположить, что энергия адсорбции отрицательных ионов на макромолекулах велика, поэтому полный заряд волокна, сформированный этими ионами, при деформации гидрогеля не изменяется. В противоположность этому заряд подвижных ионов может меняться в силу изменения условий термодинамического равновесия между ионами внутри и вне волокна. Безусловно, условие полной электронейтральности системы выполняется. В модели автоматически учитывается, что вблизи отрицательного волокна подвижные ионы образуют, в целом, положительные двойные электрические слои. Учитывая наблюдаемую оптическую прозрачность волокна, мы предполагаем, что пространственная концентрация фиксированных (адсорбированных) на макромолекулах отрицательных ионов не зависит от локальной координаты, т.е. эти ионы макроскопически однородно распределены внутри волокна. В рамках сделанных приближений уравнения Пуассона-Больцмана для электрического потенциала внутри и вне образца решены в цилиндрической системе координат при соблюдении стандартных условий электростатики сплошных сред на границе волкно-окружающая среда. Математически эти решения представлены через функции Ганкеля от отношения расстояния до оси волокна к характерной длине дебаевской экранировки. Это позволило определить средний (измеряемый) потенциал внутри волокна как функцию от его длины и радиуса. Проведенные эксперименты показали, что при удлинении волокна его радиус меняется очень слабо и в первом приближении его изменением можно пренебречь. Другими словами, для рассматриваемого гидрогеля условие несжимаемости определенно не выполняется. Расчеты показали, что если пренебречь изменением радиуса волокна при его деформации, средний по объему волокна потенциал обратно пропорционален его длине. Физической причиной этого является уменьшение концентрации адсориброванных ионов в волокне при его удлинении и соответствующем увеличении объема (напомним, полный заряд адсорбированных ионов предполагается не меняющимся при деформации волокна). Эксперименты проводились в диапазоне 20-ти процентного относительного изменения длины волокна. Сопоставление теоретических и экспериментальных результатов показали их хорошее количественное соответствие. Это указывает на то, что предложенная модель, в основных своих положениях, правильно отражает экспериментальную ситуацию и адекватна ей.

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Были проведены теоретические и экспериментальные исследования с целью создания научной основы биоинженерии магнитных гелиевых матриц для выращивания клеточных культур и регенерации биологических тканей. В ходе проведенных работ были получены следующие результаты. 1. Развита первая микросокпическая модель нелинейной и гистерезисной намагниченности мягких феррогелей, используемых для синтеза биосовместимых магнитных матриц для выращивания клеточных культур и регенерации биологических тканей. 2. Развита первая теория гистерезисной магнитострикции феррогелей в однородном внешнем поле, описывающая наблюдаемые нелинейные и гистерезисные деформации этих композитов под действием внешнего поля. 3. Развита микроскопическая теория модуля Юнга магнитного геля с частицами, объединенными в линейные цепочечные агрегаты на стадии, предшествующей полимеризации геля. Теория позволяет определять упругие характеристики композита на основе информации о размерах и свойствах частиц магнитного наполнителя, их объемной концентрации, упругих свойствах несущего геля, а также размерах сформированных цепочек. 4. Экспериментально определены зависимости модулей сдвига, накопления и диссипации энергии магнитных гелей на основе фибринов, полученных из плазмы человеческой крови. Обнаружен сильный рост механических характерстик композитов при увеличении концентрации внедренных частиц. Обнаруженный концентрационный эффект на три порядка величины превышает таковой, следующий из классической теории механических свойств композитных материалов. 5. Развита теория фильтрации раствора наноразмерных ферромагнитных частиц через зернистый слой, состоящий из микронных намагничивающихся частиц. Развита теория фазой конденсации наночастиц вблизи полюсов микронных частиц. Теоретически и экспериментально определена величина коэффициента захвата наночастиц микрочастицами. Полученные результаты могут быть научной основой технологии детектирования, сепарации и адресной доставки белков и других агентов роста биологических тканей в магнитных матрицах. 6. Развита теория и математическая модель динамической магнитной восприимчивости магнитных гелей с однодоменными феррочастицами, перемагничивание которых происходит по неелевскому механизму. Теоретически показано, что магнитное взаимодействие частиц увеличивает намагниченность композита в заданном магнитном поле, а также способно сильно увеличить интенсивность тепловыделения, сопровождающего процесс перемагничивания частиц. Полученные результаты могут служить основой технологий управления температурой магнитополимерных матриц роста клеточных структур и биологических тканей с целью оптимизации этих процессов. 7. Методом вибрационной магнетометрии исследованы магнитные характеристики феррогелей на основе полиакриламида, наполненные наночастицами маггемита. На основании измеренных петель магнитного гистерезиса феррогелей показано, что их магнитное поведение близко к суперпарамагнитному. Коэрцитивная сила близка к нулю, а намагниченность линейно зависит от приложенного поля в области малых полей. В целом, это соответствует магнитным характеристикам частиц маггемита, использованных для наполнения феррогеля. Намагниченность насыщения феррогеля линейно увеличивается с ростом содержания магнитных наночастиц. 8. Исследовано гелеобразования растворов природного полисахарида – гуара при введении в него микродисперсного порошка феррита стронция. Показано, что в широком диапазоне содержания феррита стронция происходит потеря текучести дисперсной системы и формирование упругодеформируемого геля. Методом динамического механического анализа показано, что модуль накопления в наполненных суспензиях полисахаридов существенно превышает модуль потерь, что и проявляется в гелеобразовании системы 9. Методом микрокалориметрии исследована термодинамика смешения композитов магнитных порошков магнетита и феррита стронция с природными полисахаридами – гуаром и ксантаном, используемыми для формирования феррогелей с двойного сеткой. Методом термохимического цикла определена энтальпия смешения бинарных композитов магнитный наполнитель/полисахарид во всем диапазоне содержания наполнителя. Показано, что энтальпия смешения наполнителей с гуаром положительна во всей области составов, а концентрационная зависимость энтальпии смешения с ксантаном имеет знакопеременный вид: в диапазоне малых концентраций наполнителя энтальпия смешения положительна, а в области больших концентраций – отрицательна. При использовании электростатического дисперсанта – цитрата натрия, взаимодействие полисахаридов с поверхностью частиц ухудшается. 10. Проведены исследования явления механоэлектрической трансдукции в гидрогелях на основе кальциевых и магниевых солей полиметакриловой кислоты, направленные на выяснение механизма изменения электрического потенциала гелей при механическом нагружении. Электрический потенциал гелей был измерен капиллярными микроэлектродами при периодическом растягивающем нагружении образца. Одновременно измерялись линейные размеры образца, что позволило оценивать изменение его объема. Показано, что при периодическом циклическом нагружении гелевых матриц, которые могут выступать в качестве актуаторов, сенсоров, скаффолдов для бионженерии и клеточных технологий на этапе приложения растягивающей нагрузки происходит набухание геля, в фазе ее релаксации – сжатие. Эти процессы одновременно сопровождаются уменьшением отрицательных значений электрического потенциала геля на этапе его растяжения и увеличением этих значений на этапе сжатия. Такое изменение объема геля и его отрицательного потенциала было описано с помощью теоретической модели, основанной на предположении о постоянстве полного электрического заряда сетки в процессе динамического нагружения. В этом случае набухание сетки приводит к уменьшению средней плотности заряда сетки, а сжатие – к уменьшению. В свою очередь это обусловливает соответствующие изменения отрицательного электрического потенциала геля. Обнаруженная взаимосвязь открывает возможности управления электрическим потенциалом биомиметических феррогелевых структур при помощи создаваемого внешнего магнитного поля. 11. Тестированы вязкоупругие свойства нового класса феррогелей, синтезированных с целью улучшения биологической совместимости синтетических прототипов для биоинженерии тканей. В частности, были исследованы свойства феррогелей на основе полиакриламида с различной концентрацией магнитных наночастиц γ-Fe2O3 (от 0 до 1.77 %) в зависимости от температурных характеристик синтеза (горячий - 80оС и холодный, с добавлением активатора синтеза «TEMED» – 25оС). Исследовались также феррогели на основе полиакриламида и природных полисахаридов (гуар и ксантан), наполненных магнитными частицами Fe3O4 в концентрациях от 0 до 35% . Установлено, что гели, синтезированные при комнатной температуре с добавлением активатора синтеза TEMED, обладают более высокой жесткостью, чем гели, изготовленные при 80оС. Добавление наночастиц оксида железа в полимерную сеть полиакриламидного геля сопровождается достоверным увеличением модуля Юнга феррогеля и незначительным увеличением эффективной вязкости по отношению к базовому образцу без частиц. Установлена достоверная корреляция между содержанием γ-Fe2O3 и величиной модуля Юнга. Обнаружена достоверная корреляция между модулем упругости гелей и степенью их набухания. Введение природных полисахаридов (гуар, ксантан) в полиакриламидную сетку не влияет на упругие свойства феррогелей в широком диапазоне концентраций магнитных частиц Fe3O4. Воздействие однородным магнитным полем напряженностью вплоть до 400 мТл не сопровождалось какими-либо значимыми отклонениями вязкоупругих характеристик феррогелей. 12. Исследована адгезивная активность лейкоцитов периферической крови человека in vitro на поверхности полиакриламидных гидрогелей и феррогелей на их основе. Установлено, что введение в гель наночастиц Fe2O3 значимо увеличивает количество адгезировавших на поверхность геля лейкоцитов. Причем, чем больше концентрация наночастиц в феррогеле, тем лучше адгезивная активность клеток. 13. Начаты исследования по оценке пролиферативной активности фибробластов, культивируемых на подложке из полиакриламидных гидрогелей и феррогелей на их основе. Были получены культуры дерамальных фибробластов человека, на основе которых были созданы композитные конструкции из человеческих фибробластов в комплексе с матрицей из феррогелей с концентрацией наночастиц оксида железа 0.3 и 0.7%. Качественная и количественная оценка структуры композитных конструкций оказалась невозможной из-за негативного влияния используемых красителей клеток на степень набухания матриц из полиакриламидного геля. 14. С использованием экспериментальной модели кровеносной системы выполнены работы по оценке возможности визуализации матриц феррогелей в сосудах с помощью ультразвуковой эхолокации, применяемой в медицине. Установлено, что амплитуда отраженных УЗ колебаний (или средняя яркость изображения) в полиакриламидных гелях достоверно возрастает с увеличением концентрации магнитных наночастиц оксида железа. Получено качественное совпадение результатов прямых измерений модуля Юнга в зависимости от концентрации магнитных наночастиц с данными ультразвуковых наблюдений. Дано теоретическое обоснование тому, что акустический импеданс геля связан с модулем Юнга монотонной зависимостью. При воздействии снаружи постоянным магнитным полем на феррогели внутри фантома сосуда показана принципиальная возможность позиционирования объекта в рамках использованной методики. 15. Проведены гистологические исследования роста мышечных тканей in-vivo в фибринных магнитных матрицах. Матрицы имплантировались в мышечные ткани мышей и крыс. Сравнение состояний испытуемых и контрольных групп животных показало хорошую биосовместимость синтезированных магнитных гелей, что создает основу их дальнейшего исследования в качестве потенциальных имплантов для регенерации биологических тканей.