КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 18-19-00090

НазваниеСоздание высокочувствительных пленочных сенсоров на основе гигантского магнитоимпедансного эффекта для магнитного детектирования в сфере биомедицинских приложений

РуководительКурляндская Галина Владимировна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионфедеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина", Свердловская обл

Года выполнения при поддержке РНФ 2018 - 2020 

КонкурсКонкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-609 - Автоматизированные комплексы для биологии и медицины

Ключевые словаМагнитные биосенсоры; Гигантский магнитный импеданс; Многослойные пленочные структуры; Феррогели; Магнитные метки; Биосовместимость

Код ГРНТИ29.19.22; 29.19.39; 29.35.00


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Проект направлен на решение научной проблемы, связанной с увеличением чувствительности магнитных сенсоров для биомедицинских приложений за счет разработки новых технологий для создания пленочных детекторов на основе гигантского магнитоимпеданснсного эффекта, адаптированных к особенностям современной полупроводниковой электроники. Создание высокочувствительных пленочных сенсоров для биомедицинских приложений - актуальная инженерная проблема, востребованная обществом. Ee решение возможно только на стыке инженерных наук, физики, химии, материаловедения, нанотехнологий, биологии и медицины при условии развития фундаментальных основ этого направления. Одной из основополагающих характеристик магнитного биосенсора является чувствительность по отношению к внешнему магнитному полю. Гигантский магнитоимпедансный эффект (ГМИ) обеcпечивает высокую чувствительность к магнитному полю. Существуют ГМИ-детекторы слабых полей (до 1 нТл с разрешением до 1 пТл) на основе аморфных проволок, работающие при импульсном возбуждении. Вместе с тем, по сравнению с датчиками, возбуждаемыми гармоническим током, такие детекторы обладают рядом недостатков: невозможность регистрировать сигналы при отношении сигнал/шум менее 0 dB; конструкция плохо сопрягается с интегральной технологией; ограничена возможность применения цифровой обработки сигналов. Известно, что максимальная чувствительность к внешнему магнитному полю достигается в симметричных структурах ГМИ. Группа-заявитель имеет собственные наработки в области технологии приготовления пленочных наноструктур типа [FeNi/Cu]x/Cu/[FeNi/Cu]y и [FeNi/Ti]x/Cu/[FeNi/Cu]y. Предлагаемый проект направлен на решение следующей научной задачи: разработать технологии получения пленочных ГМИ структур соответствующей архитектуры на жестких или гибких основах, обеспечивающих рекордно высокую чувствительность детектирования биомедицинских сигналов. Пленочная геометрия наиболее адаптирована к особенностям полупроводниковой электроники. Датчики, возбуждаемые высокочастотным гармоническим сигналом, обеспечивают более скоростные измерения: при работе на частоте около 80 МГц существует возможность фиксировать изменения магнитного поля, происходящие за сотни наносекунд. Плоская форма пленочных структур позволяет варьировать активную площадь поверхности сенсора, но главное технологическое достоинство - существование стабильных технологий получения многослойных структур. В проекте предлагается разработать сенсор на основе квадратурного демодулятора. Последний характеризуется наличием дополнительного синхронного детектора, на который в качестве опорного подается сигнал, сдвинутый по фазе на π/2. Как синфазная, так и квадратурная составляющие сигнала отражают медленные изменения внешнего магнитного поля, и могут быть преобразованы в цифровой вид с помощью аналого-цифровых преобразователей. Применение квадратурного демодулятора позволит экстремально повысить отношение сигнал/шум (ОСШ) при измерении слабых магнитных полей за счет переноса спектра измеряемого сигнала в область относительно высоких частот, где значительно ниже влияние шумов. Предполагается создание детектора магнитного поля на основе пленочного датчика ГМИ и квадратурного демодулятора, работающего при комнатной температуре и обеспечивающего чувствительность 0.5 нТл в диапазоне измерений индукции магнитного поля B = ± 10 мкТл. Для установления более точного положения рабочей точки датчика, повышения стабильности работы и снижения зависимости от флуктуаций температуры окружающей среды планируется применение мостовой или дифференциальной схемы включения. Для исследования параметров датчиков будут использоваться системы на основе измерителя импеданса Agilent HP E4991A и векторного анализатора цепей ZVA-67 Rohde & Schwarz (ВАЦ). Кроме того, система на основе ZVA-67 позволяет измерять S-параметры, временные и шумовые характеристики в диапазоне мощностей от микроватт до десятков милливатт. Существует возможность измерения параметров пленок с использованием высокочастотного сигнала с амплитудной модуляцией, а также при подключении постоянной составляющей тока различной полярности. ВАЦ ZVA-67 оснащен четырьмя независимыми каналами, что позволяет измерять параметры дифференциальных и мостовых высокочастотных датчиков магнитного поля. Планируется разработка пленочного детектора с чувствительностью, сопоставимой с чувствительностью СКВИД, но работающего при комнатной температуре и размерами с сотовый телефон, обладающего совокупностью технологических характеристик, не имеющих мировых аналогов. Экстремальная чувствительность порядка 0.5 нТл будет достигнута за счет возбуждения гармоническим сигналом высокой частоты и применением схемотехнических решений, позволяющих скомпенсировать внешние шумы. Применение квадратурного детектирования стабильного высокочастотного гармонического сигнала определяет важные преимущества по сравнению с импульсным возбуждением: возможность работы в условиях значительных внешних электромагнитных помех, превышающих амплитуду сигнала; возможность применить цифровую обработку сигналов; крайне низкий уровень собственных шумов; возможность увеличения быстродействия детектора. Предполагается, что ГМИ сенсоры нового класса будут тестированы в режиме детектирования биомедицинских сигналов. Для этого будут созданы биомиметики биологических тканей на основе синтетических полимеров (гелей), наполненных магнитными частицами, отработаны условия синтеза стабильных суспензий нано/микрочастиц оксида железа и гидрогелей на их основе. Для увеличения биосовместимости тестируемых материалов гели будут синтезированы с химической и физической сетками, последняя из которых будет представлена биологическими полисахаридами и/или белками. Предполагается получить зависимости интенсивности отклика ГМИ сенсора от концентрации магнитных частиц в геле, его физико-химической структуры и функциональных свойств (вязкоупругие и электрические характеристики). Кроме того, в экспериментах in vitro будет выполнена оценка пролиферационного потенциала клеток в феррогелях за счет описания связей между особенностями культивирования клеток на гелях и параметрами ГМИ сигнала. На заключительном этапе планируются эксперименты на животных in vivo процессов регенерации поврежденных участков тканей опорно-двигательного аппарата животных. Ожидается, что разработанный пленочный детектор станет основой линейки сенсорных устройств магнитного детектирования в сфере биомедицинских приложений.

Ожидаемые результаты
Проект направлен на создание пленочного детектора на основе гигантского магнитоимпеданснсного эффекта (ГМИ), адаптированного к особенностям современной полупроводниковой электроники, который станет основой линейки сенсорных устройств магнитного детектирования в сфере биомедицинских приложений. Планируется разработка пленочного ГМИ детектора с чувствительностью, сопоставимой с чувствительностью СКВИД, но работающего при комнатной температуре и размерами с сотовый телефон, обладающего совокупностью технологических характеристик, не имеющих мировых аналогов. Экстремальная чувствительность порядка 0.5 нТл будет достигнута за счет возбуждения гармоническим сигналом высокой частоты и применением схемотехнических решений, позволяющих скомпенсировать внешние шумы. ГМИ сенсоры нового класса будут тестированы в режиме детектирования биомедицинских сигналов. Для этого будут созданы биомиметики биологических тканей на основе синтетических полимеров (гелей) наполненных магнитными частицами и отработаны условия синтеза стабильных суспензий нано/микрочастиц оксида железа, и гидрогелей на их основе. Для увеличения биосовместимости тестируемых материалов гели будут синтезированы с химической и физической сетками, последняя из которых будет представлена биологическими полисахаридами и/или белками. Предполагается получить зависимости интенсивности отклика ГМИ сенсора от концентрации магнитных частиц в геле, его физико-химической структуры и функциональных свойств (вязкоупругие и электрические характеристики). Кроме того, в экспериментах in vitro будет выполнена оценка пролиферационного потенциала клеток в феррогелях за счет описания связей между особенностями культивирования клеток на гелях и параметрами ГМИ сигнала. На заключительном этапе планируются эксперименты на животных in vivo процессов регенерации поврежденных участков тканей опорно-двигательного аппарата.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Создание высокочувствительных пленочных сенсоров на основе гигантского магнитоимпедансного эффекта (ГМИ) для магнитного детектирования в сфере биомедицинских приложений требует увеличения чувствительности магнитных сенсоров за счет разработки новых технологий создания пленочных детекторов. Принцип работы магнитного биосенсора – детектирование полей рассеяния магнитных маркеров, т.е. магнитный биосенсор – это специализированный детектор очень слабых магнитных полей. Для проверки методологии был создан прототип ГМИ детектора магнитного поля на основе микропровода CoFeSiB, включенного в качестве центральной жилы коаксиального волновода. Высокочастотные свойства проводов исследованы в диапазоне частот 0.02-20 ГГц. Вычислены параметры ферромагнитного резонанса (ФМР) и параметры ГМИ. Экспериментально определены области максимальной чувствительности. Проведенные исследования согласования коаксиальной линии передачи с ферромагнитной центральной жилой во внешнем постоянном магнитном поле смещения напряженностью от 0.1 до 120 Э с генератором синусоидального напряжения частотой от 100 до 800 МГц показали, что максимальная чувствительность ГМИ датчика на основе коаксиальной линии в электромагните достигается не в согласованном режиме, а в режиме, близком к короткому замыканию на конце коаксиального кабеля с ферромагнитным микропроводом. Чувствительность датчика магнитного поля в области максимума крутизны характеристики достигает 2 Ом/Э, что достаточно для создания детектора магнитного поля чувствительностью единицы-десятки микроэрстед. Таким образом, отработка методов измерений микропроводов и создание микросенсора на их основе позволило задать реперную точку для сравнения с создаваемыми пленочными структурами. Методом ионно-плазменного распыления были получены симметричные и несимметричные пленочные структуры типа [FeNi/Cu]x/Cu/[FeNi/Cu]y и [FeNi/Ti]x/ Cu/[FeNi/Ti]y осажденные на жесткие и гибкие основы. Наиболее интересны результаты измерения параметров S11, S21, S12, S22 структуры [Ti(6 нм)/FeNi(100 нм)]5/Ti(6 нм)/Cu(500 нм)/Ti(6 нм)/[FeNi(100 нм)/Ti(6 нм)]5 установленной в держатель на основе копланарной линии передачи. При напряженности внешнего постоянного магнитного поля смещения в диапазоне от 0.9 до 4.5 Э в данной структуре наблюдается эффект ГМИ с высокими значениями крутизны характеристики. При больших, значениях напряженности магнитного поля потери мощности в многослойной пленке возрастают, но крутизна характеристики падает в результате ФМР. Таким образом, как и было заявлено в плане работ первого года, для пленочных ГМИ-детекторов с элементом типа [Ti/FeNi]5/Ti/Cu(500 нм)/Ti/[FeNi/Ti]5 была достигнута чувствительность 2.5 Ом/Э, позволяющая измерять изменения внешнего поля в микроэрстеды (при измерениях в нормальных условиях соответствующая величина индукции составит 5 микрогаусс, то есть 0.5 нТл). Проведено исследование высокочастотных эффектов FeNi микроэлементов, полученных в одном технологическом цикле напыления вместе с копланарной линией передачи возбуждающего сигнала, от топологических особенностей магнитных структур, что позволило усовершенствовать метод измерения ФМР в диапазоне частот 100 МГц-15 ГГц. Разработка топологии элемента и копланарной линии передачи, проводилась с использованием компьютерного моделирования (Comsol Multiphysics). Получены экспериментальные частотные зависимости нормированных удельных потерь мощности сигнала на элементе FeNi(100нм)/Ti(6 нм)/FeNi(100 нм) при различной напряженности внешнего поля. Получены основные параметры ФМР: зависимость резонансной частоты от постоянного магнитного поля, которая согласуется с формулой Киттеля и постоянную затухания Гильберта α = 0.093. В связи с необходимостью подбора полимерных подложек для создания ГМИ-детекторов на гибких основах было предложено новое решение, позволяющее оптимизировать процессы напыления, заменить на первом этапе пленочные образцы на наночастицы состава Fe18Ni82 для оценки взаимодействия на границе металл/полимер. Экспериментальная партия наночастиц Fe18Ni8 была получена методом электрического взрыва проволоки. МНЧ имеют высокую намагниченность насыщения и демонстрируют как значительное поглощение СВЧ-излучения в нулевом поле, так и резонансное поглощение (ФМР). Магнитные и микроволновые характеристики перспективны для разработки композитов типа полимернная матрица/МНЧ. Методом лазерного испарения мишени получены партии наночастиц маггемита (γ-Fe2O3). Исследован процесс стабилизации суспензий МНЧ в водной среде с высокой ионной силой, по составу отвечающей физиологической среде (стандартная питательная среда IMDM без глутамина, применяемая для выращивания клеточных структур). Электростатически стабилизированный золь был неустойчив в физиологической среде IMDM. Для обеспечения устойчивости в среде IMDM в исходный золь вводили стабилизаторы олигомерной природы DARVAN C-N в концентрации от 0.1%, до 0.5%. Введение стабилизаторов обеспечивало устойчивость золя в среде IMDM в тем большей степени, чем выше была концентрация стабилизатора. Оптимальным способом обеспечения устойчивости золей оксида железа в физиологической среде является введение стабилизатора DARVAN C-N или DISPEX A40 в концентрации 0,5% с последующей выдержкой в течение 6 недель. Была отработана методика синтеза феррогелей (ФГ) с химической сеткой, содержащих МНЧ оксида железа, на основе полиакриламида с различной степенью сетчатости. Концентрация наночастиц оксида железа в феррогеле составляла от 0,3 до 1,8% (вес). Сетчатую структуру ФГ характеризовали на основании значений равновесной степени набухания в воде, применяя расчет по теории Флори-Ренера. Показано, что формирование упорядоченной структуры магнитных частиц приводит к увеличению модуля Юнга ФГ. Была отработана методика синтеза ФГ на основе микродисперсного порошка феррита стронция и природных полисахаридов – гуара, ксантана, геллана, агарозы. Использовали водные растворы полисахаридов с концентрацией 1-4%. Исследованы термодинамические свойства гидрогелей на основе полисахаридов. Показано, что параметр Флори-Хаггинса для всех полисахаридов совпадает и равен 0,82±0,05. Причиной плохого термодинамического сродства к воде является сильное понижение некомбинаторной энтропии, которое проявляется в положительных значениях энтропийного параметра Флори-Хаггинса, лежащих в диапазоне 0,8–0,9, что согласуется с сильным агрегированием, наблюдаемым для полисахаридов. В то же время энтальпийный параметр Флори-Хаггинса близок к нулю, и составляет в среднем – 0,1, что свидетельствует об энергетическом балансе взаимодействий между однородными и разнородными молекулами в данных системах. С помощью ГМИ-сенсора осуществлялось тестирование модельной системы, имитирующей потоки крови в кровеносных сосудах сложной геометрии при использовании МНЧ. Для моделирования тока феррожидкости (ФЖ) в модельных кровеносных сосудах была создана гидродинамическая установка. Детектирование МНЧ осуществлялось с помощью ГМИ-сенсора, на основе [Cu/FeNi]5/Cu/[FeNi/Cu]5 пленочной структуры. В системе позиционирования модельного сосуда относительно сенсора трубка смещалась относительно рабочей поверхности датчика, чтобы обеспечить детектирование МНЧ до-, внутри и после модельного стеноза. Установлено, что вне зависимости от местоположения датчика во всем диапазоне значений поля импеданс тем больше, чем больше объемная скорость тока ФЖ. При любой фиксированной величине магнитного поля влияние скорости на отклик датчика зависит от его местоположения. Сделано заключение, что детектирование МНЧ с помощью ГМИ сенсора открывает возможность для использования ФЖ в диагностических целях в качестве контрастирующего вещества. Для разработки ГМИ-биосенсора для определения концентрации МНЧ в живых тканях вместо биологических образцов использовали ФГ. Концентрация МНЧ в ФГ варьировалась от 0 до 2,20 вес.%. ГМИ-элемент представлял собой пленочную структуру [Cu/FeNi]5/Cu/ [FeNi/Cu]5, полученную методом магнетронного распыления. При частоте тока 80 МГц наблюдается максимальная чувствительность отклика ГМИ элемента к внешнему полю. Зависимость отклика ГМИ от концентрации МНЧ при фиксированном значении напряженности внешнего поля линейна. При частоте 80 МГц и напряженности внешнего магнитного поля 7,6 Э чувствительность прототипа датчика к изменению концентрации МНЧ составляет около 1,3 %/вес.% или 4,3 %/мг. Для описания экспериментальных результатов предложена электродинамическая модель ГМИ в многослойной пленке со слоем ФГ. Теоретический подход основан на совместном решении линеаризованных уравнений Максвелла для электромагнитных полей и уравнения Ландау–Лифшица для динамики намагниченности. Результаты расчетов качественно описывают снижение относительного изменения ГМИ при увеличении концентрации МНЧ в ФГ, наблюдавшееся в эксперименте. Описание с помощью предложенной модели удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными ГМИ многослойной пленки с покрытием ФГ. Синтезирована серия гидрогелей на основе акриламида с различной плотностью сшивки полимерной сети (от 1:50 до 1:300), и серия ФГ с плотностью сшивки 1:100, но различной весовой долей МНЧ (от 0,3 до 2,0 %). Тестированы вязкоупругие и электрические свойства гелей и ФГ за счет задания образцами деформаций в квазистатическом и динамическом режимах нагрузок и измерения электрического потенциала в них. Оценка биосовместимости гелей и ФГ с наименьшей концентрацией МНЧ (0,3 %), выполнена путем исследования адгезивной и пролиферативной активностей фибробластов кожи человека на поверхности гелей. Клетки культивировались 12 и 96 часов. Установлено, что биосовместимость гелей зависит от плотности сшивки полимерной сети, причем, уровень адгезии и пролиферации клеток в слабосшитых гелях значимо меньше, чем в плотносшитых образцах. Полученный результат связан с влиянием плотности сшивки на упругие свойства образцов. Добавление МНЧ в состав акриламидного геля в весовой доле 0.3% приводит к значительному увеличению модуля Юнга, а также адгезивной и пролиферативной активности фибробластов. Однако, при одинаковой жесткости геля и ФГ, биосовместимость магнитного композита многократно больше, чем у базового геля без МНЧ, т.е. МНЧ оказывают позитивное воздействие на адгезию и пролиферацию клеток, вероятно, за счет влияния частиц на гладкость поверхности ФГ. Впервые показана принципиальная возможность визуализации магнитных композитов в прототипах артерий методом ультразвуковой локации. Установлено, что интенсивность отраженного эхосигнала от границы ФГ/вода зависит от концентрации МНЧ в ФГ: чем выше концентрация частиц, тем выше точность обнаружения объекта. С целью разработки методики топологической визуализации патологических образований в кровеносном сосуде (например, стеноза) и оценки гидродинамических свойств кровотока с помощью МНЧ, введенных в модельный кровеносный сосуд и ГМИ элемента была выполнена серия модельных расчетов с использованием программного обеспечения Comsol MultiPhysics. По результатам работы было опубликовано 5 статей в рецензируемых журналах (WOS), три из них относятся к категории Q1, сделано 11 докладов на 8 конференциях.

 

Публикации

1. - Исследователи БФУ им. И. Канта и УрФУ им. Б. Ельцина ищут возможности для диагностирования и лечения рака с помощью наночастиц Новости университета: веб-страница Балтийского федерального университета им. И. Канта, 7 Ноября 2018 (год публикации - ).

2. Бляхман Ф.А., Волчков С.О., Мехдиева К.Р., Соколов С.Ю., Членова А.А. Детектирование магнитных наночастиц в кровеносных сосудах Магнитные материалы. Новые технологии: тез. докл. VIII Байкальской Международной конференции. г. Иркутск, Иркутская область, Рос. Федерация, 24–28 августа 2018 г. / ФГБОУ ВО «ИГУ»; Иркутск: Изд-во ООО «Репроцентр А1», 2018. – 198 с., c. 14 (год публикации - 2018).

3. Бузников Н. А., Сафронов А. П., Оруе И., Голубева Е. В., Лепаловский В.Н., Свалов А. В., Членова А.А., Курляндская Г.В. Modelling of magnetoimpedance response of thin film sensitive element in the presence of ferrogel: Next step toward development of biosensor for intissue embedded magnetic nanoparticles detection Biosensors and Bioelectronics, Volume 117, pages 366-372 (год публикации - 2018).

4. Голубева Е. В., Волчков С.О., Щербинин С.В., Курляндская Г.В. Magnetoimpedance Properties of Amorphous CoFeSiB Wires in a Wide Frequency Range: Focus on Sensor Applications Russian Journal of Nondestructive Testing, Vol. 54, No. 10, pp. 717–725 (год публикации - 2018).

5. Голубева Е. В., Волчков С.О., Щербинин С.В., Курляндская Г.В. Magnetic and Microwave Properties of Carbon-Coated Co- and Fe-Based Amorphous Wires IEEE Magnetic Lettres, Volume 9, article number 5105505 (год публикации - 2018).

6. Койсон М., Баррера Г., Аппино К., Селегато Ф., Мартино Л., Сафронов А.П., Курляндская Г.В., Тиберто П. Specific loss power measurements by calorimetric and thermal methods on γ-Fe2O3 nanoparticles for magnetic hyperthermia Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Volume 473, 403-409 (год публикации - 2019).

7. Курляндская Г. В. Thin film-based detectors with high sensitivity employing giant magnetoimpedance effect for magnetic sensing in the field of biomedical applications Магнитные материалы. Новые технологии: тез. докл. VIII Байкальской Международной конференции. г. Иркутск, Иркутская область, Рос. Федерация, 24–28 августа 2018 г. / ФГБОУ ВО «ИГУ»; Иркутск: Изд-во ООО «Репроцентр А1», 2018. – 198 с., c. 11-12 (год публикации - 2018).

8. Курляндская Г.В., Сафронов А.П., Бхагат С.М., Ларраньяга А., Багазеев А.В. Magnetic and microwave properties of Fe18Ni82 nanoparticles with close to zero magnetostriction Journal of Magnetism and Magnetic Materials, Volume 460, pages 156-163 (год публикации - 2018).

9. Михневич Е.A., Чеботкова П.Д., Сафронов А.П. Явление набухания и коллапса феррогелей на основе сополимера акриламида с солью акриловой кислоты Проблемы теоретической и экспериментальной химии: тез. докл. XXVIII Рос. молодеж. науч. конф. с междунар. участием, посвящ. 100- летию со дня рожд. проф. В. А. Кузнецова, Екатеринбург, 25–27 апр. 2018 г. – Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2018. – 35 с., cтр. 35 (год публикации - 2018).

10. Михневич Е.А., Чеботкова П.Д., Сафронов А.П. Синтез и исследование механических свойств полиэлектролитных феррогелей на основе частиц феррита стронция Магнитные материалы. Новые технологии: тез. докл. VIII Байкальской Международной конференции. г. Иркутск, Иркутская область, Рос. Федерация, 24–28 августа 2018 г. / ФГБОУ ВО «ИГУ»; Иркутск: Изд-во ООО «Репроцентр А1», 2018. – 198 с., стр. 192-193 (год публикации - 2018).

11. Членова А.А., Бузников Н.А., Сафронов А.П., Голубева Е.В., Лепаловский В.Н., Мельников Г.Ю., Курляндская Г.В. Детектирование совокупных полей рассеяния наночастиц феррогелей с помощью прототипа магнитоимпедансного датчика: модельные представления и эксперимент Сборник трудов XXIII Международной конференции НОВОЕ В МАГНЕТИЗМЕ И МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛАХ, 30 июня – 5 июля 2018, Москва, c. 841-843 (год публикации - 2018).

12. Щербинин С.В., Волчков С.О., Голубева Е.В., Курляндская Г.В. Резонансное поглощение электромагнитных волн в ферромагнитных микропроволоках XIX Всероссийская школа–семинар по проблемам физики конденсированного состояния вещества (СПФКС–19) ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ 15–22 ноября 2018 года Екатеринбург, 2018, c. 41 (год публикации - 2018).

13. Щербинин С.В., Волчков С.О., Свалов А.В., Васьковский В.О., Курляндская Г.В. Измерение параметров ферромагнитных микропроволок и тонких пленок в частотном диапазоне от 0.01 до 20 ггц Магнитные материалы. Новые технологии: тез. докл. VIII Байкальской Международной конференции. г. Иркутск, Иркутская область, Рос. Федерация, 24–28 августа 2018 г. / ФГБОУ ВО «ИГУ»; Иркутск: Изд-во ООО «Репроцентр А1», 2018. – 198 с., c. 44-45 (год публикации - 2018).

14. Щербинин С.В., Волчков С.О., Членова А.А., Курляндская Г.В. Load matching for giant magnetoimpedance sensor in coaxial configuration Conference submission, 7th International Conference on Materials and Applications for Sensors and Transducers September 24-27, 2018 Bratislava, Slovakia, Web-page: http://icmast.net/index.php (год публикации - 2018).

15. Щербинин С.В., Курляндская Г.В., Голубева Е.В. Исследование явлений ферромагнитного резонанса и гигантскогомагнитного импеданса в миропроволоках из аморфного сплава CoFeSiB XXXI Уральская конференция «Физические методы неразрушающего контроля: Янусовские чтения». Тезисы докладов. 20 ноября 2018. Екатеринбург. Институт физики металлов им.М.Н. Михеева УрО РАН., - (год публикации - 2018).


Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Оптимизирована измерительная установка для изучения гигантского магнитного импеданса (ГМИ). Минимальный шаг дискретизации магнитного поля составляет 0,08 Э. Усовершенствована система измерения высокочастотных параметров тонких ферромагнитных пленок на основе векторного анализатора цепей ZVA-67 (Rohde & Schwarz). Изготовлены катушки Гельмгольца, обеспечивающие равномерность напряженности магнитного поля c цифровым гониометром для получения угловых зависимостей параметров ГМИ. Создана система компенсации внешних магнитных полей для обеспечения снижения влияния помех. Система компенсации внешних магнитных полей необходима для подавления магнитных шумов при биодетектировании, когда уровни сигнала могут составлять единицы-десятки микроэрстед. Разработана, изготовлена и тестирована измерительная ячейка для исследования ГМИ гелей и феррогелей, которая позволяет увеличить на порядок эффективное время измерений с использованием ГМИ сенсора. Разработан и аттестован источник постоянного магнитного поля для биоэкспериментов (коммерческих аналогов нет). В качестве основы магнитной системы был использован 24-луночный планшет. Аттестация магнитного поля матрицы была выполнена путем прямого измерения напряженности магнитных полей и компьютерного моделирования. Получены и исследованы пленочные наноструктурированные ГМИ-элементы с высокой динамической магнитной проницаемостью на основе FeNi/Ti – и FeNi/Cu систем. Предложена модель для описания ГМИ применимая для симметричных и несимметричных многослойных структур и проанализировано влияние параметров пленок на зависимости импеданса от внешнего поля и частоты возбуждающего тока. Разработанная теоретическая модель позволяет качественно объяснить основные особенности эффекта ГМИ в многослойных структурах и может быть полезна для оптимизации параметров МИ сенсорных элементов. Предложенные модельные представления использованы для прямого сравнения с результатами экспериментов на примере структуры [FeNi/Ti]6/Cu/[Ti/FeNi]6 для биометрического детектора, работающего при комнатной температуре, с максимальной чувствительностью порядка порядка 0,4 Ом/Э для полного импеданса и его действительной части и 0,1 Ом/Э для мнимой части полного импеданса. На основе анализатора ZVA-67 и держателя типа копланарной линии создана система для исследования микроволнового поглощения в одном сканировании ГМИ и ферромагнитного резонанса (ФМР). Исследована чувствительность в области ГМИ и ФМР многослойных пленок на основе FeNi/Ti в диапазоне 0.1-20 ГГц. Отобраны наиболее чувствительные образцы типа [Ti/FeNi]6/Ti/Cu/Ti/[FeNi/Ti]6 для изготовления детектора слабых магнитных полей. Показана возможность аппроксимации активной и реактивной составляющих импеданса ферромагнитных тонких пленок с помощью мнимой и действительной частей компонент главной диагонали тензора магнитной восприимчивости при ФМР. Изготовлен датчик слабых магнитных полей на основе проволок CoFeNi/CuBe и CoFeSiB, установленных в коаксиальную линию. Рассчитаны и изучены режимы работы детектора на основе ферромагнитных микропроволок в составе коаксиальной линии. Изготовлен ГМИ-датчик магнитных полей на основе пленочной структуры [Ti/FeNi]6/Ti/Cu/Ti/[FeNi)/Ti]6 в копланарной линии передачи. Cенсоры нового класса тестированы с использованием биомиметиков. Применение ГМИ-датчика с квадратурным демодулятором сигнала наряду с возможностью работы демодулятора в режиме сканирования по частоте в узком диапазоне (310-330 МГц) позволило достичь чувствительности детектора порядка сотен микроэрстед, что близко к теоретически возможному пределу Найквиста при комнатной температуре – порядка 10 мкЭ. Cинтезированы представительные партии МНЧ оксида железа и Fe18Ni82. Полученные методом электрического взрыва проволоки (ЭВП) Fe18Ni82 МНЧ использовали для приготовления пленочных магнитополимерных композитов на основе лака GE-7031-СТ и циклополиолефина TOPAS-5013 (содержание МНЧ от 0 до 90%). Для лака GE характерен знакопеременный характер зависимости энтальпии образования композита от весовой доли МНЧ. В диапазоне содержания МНЧ до 40 % наблюдаются экзотермические эффекты взаимодействия МНЧ и матрицы. При весовом содержании МНЧ выше 40% их взаимодействие с матрицей ухудшается и композиты характеризуются положительными значениями энтальпии смешения. Для сополимера TOPAS характерны отрицательные значения энтальпии образования композита во всей области составов. Наибольший экзотермический эффект наблюдается при содержании МНЧ около 70%. Анализ петель гистерезиса композитов показал, что, значение намагниченности насыщения прямо пропорционально содержанию МНЧ в композите при наличии заметного вклада диполь-дипольного взаимодействия для концентраций МНЧ выше 20 % (вес.). Исследована магнитострикция ФГ с физической и химической сеткой, содержащих МНЧ коммерческого гексаферрита стронция (ГФС). ФГ с физической сеткой был синтезирован на основе природного полисахарида – гуара. Весовая доля частиц ГФС в ФГ с физической сеткой составила 12.5%. ФГ с химической сеткой был синтезирован на основе полиакриламида реакцией полимеризации в водном растворе. Весовая доля частиц ГФС в ФГ с химической сеткой составила 3.7%. Исследована кинетика изменения размеров ФГ вдоль и поперек поля. ФГ с физической сеткой увеличивал свой размер вдоль магнитного поля и сокращал размер в поперечном направлении при неизменном объеме образца. ФГ с химической сеткой увеличивал размер как в направлении вдоль поля, так и в поперечном направлении, то есть происходило общее увеличение объема ФГ в магнитном поле. Исследовано влияние однородного магнитного поля на модуль ФГ с химической сеткой c МНЧ никеля ((ЭВП). Для ФГ с содержанием 0-5.3% (вес.) МНЧ никеля использовали двe ориентации магнитного поля: параллельно и перпендикулярно направлению сжатия образца. Зависимость модуля ФГ в отсутствии поля от содержания МНЧ никеля показывает, что, несмотря на малое весовое содержание МНЧ модуль сильно изменяется, т.е. сетка ФГ уплотняется по сравнению с сеткой ненаполненного геля, возможно, из-за сильной адсорбции субцепей сетки на поверхности МНЧ, в результате чего последние выступают дополнительными узлами, повышая степень сшивки сетки. Для ФГ с содержанием МНЧ Ni 5.3% ориентация поля относительно оси сжатия существенным образом влияла на модуль. При ориентации поля параллельно оси сжатия модуль возрастал, а при ориентации поля перпендикулярно оси сжатия модуль уменьшался. Наибольшее изменение модуля составило 10%. Исследованы вязкоупругие свойства гелей с физической сеткой на основе 1% водного раствора гуара и МНЧ ГФС. При малой концентрации ГФС (2.8%) поведение системы типично для вязкоупругих жидкостей. При увеличении содержания ГФС до 12.5% характер деформирования существенно изменяется, деформация приобретает эластический характер – формируется физическая сетка геля. ФГ с физической сеткой могут существовать в ограниченном диапазоне напряжений сдвига, а при некотором пороговом его значении разрушаться, переходя в состояние вязкой жидкости. В контексте разработки биомиметиков для тестирования ГМИ сенсора исследован вклад МНЧ в биосовместимость ФГ. Cинтезированы полиакриламидные ФГ с весовой долей частиц оксида железа 1 и 2%. Cогласно результатам механических и электрических испытаний, они имели одинаковые модуль Юнга (~ 45 кРа) и электрический потенциал (~ 40 мВ). Биосовместимость характеризовалась по плотности монослоя дермальных фибробластов человека на поверхности ФГ. Увеличение весовой доли МНЧ в гелях с 0 до 2% приводит к возрастанию количества клеток на единицу поверхности культуральных матриц; после 12 и 96 часов инкубации плотность монослоя фибробластов на ФГ с концентрацией частиц 2 % была достоверно выше, чем на 1 % ФГ. Вне зависимости от упругих и электрических характеристик культуральных матриц на основе ФГ, совместимость клеток с ФГ тем лучше, чем выше концентрация частиц. Тестирование биосовместимости ФГ в постоянном магнитном поле проводилось на дермальных фибробластах и на хондроцитах, выделенных из биоптатов хряща лабораторных крыс. Синтезированы ФГ с концентрацией МНЧ оксида железа 0, 0.5, 1.0, 2.0 % (вес.) для исследования влияния магнитного поля на адгезию и пролиферацию фибробластов, посеянных на культуральный пластик и на поверхность ФГ. Биосовместимость материалов характеризовалась по плотности монослоя клеток (96 часов инкубации). Постоянное магнитное поле оказывает достоверный позитивный эффект на пролиферацию дермальных фибробластов человека на культуральном пластике. При одинаковом расстоянии от магнитной матрицы ~ 20 мм пролиферация дермальных фибробластов на ФГ зависит от местоположения планшета с клетками по отношению к матрице. Вне зависимости от донора фибробластов и расположения ФГ пролиферация клеток тем больше, чем выше концентрация МНЧ в составе геля. Предположено, что в постоянном магнитном поле МНЧ в ФГ меняют пространственную ориентацию в композите, оказывая влияние на структуру полимерной сети. Тестирование ГМИ сенсора на гидродинамическом стенде показало, что импеданс датчика в широком диапазоне полей возрастает с увеличением скорости тока суспензии, и количественно различает особенности течения жидкости в сосудах с переменным сечением (стенозом), чувствительность сенсора зависит от концентрации МНЧ. Показана возможность использования ГМИ сенсора для детектирования суспензий МНЧ, используемых в качестве контрастирующего вещества для нужд сердечно-сосудистой диагностики. Методом компьютерного моделирования установлены зависимости импеданса от размера стеноза и скорости тока суспензии, в том числе, и для реальных гемодинамических ситуаций в артериях со стенозом по данным ангиографического обследования пациента с ишемической болезнью сердца. Показана возможность визуализации МНЧ в составе ФГ с концентрацией МНЧ оксида железа 0 – 1.5 % (вес.) с помощью методов медицинской эхолокации. Детектировали образцы ФГ цилиндрической формы в трубке, моделирующей кровеносный сосуд (доставкa лекарств), либо в форме пластинок (клеточные трансплантаты). Оценена интенсивность отраженного эхосигнала и предложена математическая модель, рассматривающая взаимодействие упругой волны с композитом. Вне зависимости от формы образцов и их расположения границы ФГ достоверно визуализировались с помощью медицинского ультразвука во всем диапазоне концентраций: амплитуда отраженного эхо-сигнала была тем больше, чем выше концентрация частиц в геле. Прочитан курс из 5 лекций (размещены на сайте кмнм УРФУ) для популяризации результатов проекта. Г.В. Курляндская приняла участие в прямом эфире радиостанции «Серебрянный дождь» (Екатеринбург 88,8 FM). А.А. Членова представила доклады: Science kids day; Science Bar Hopping, Межрегиональном химическом турнире. На сайте РНФ опубликовано сообщение о результатах проекта. За второй год опубликовано 17 статей в рецензируемых журналах (WOS, SCOPUS), одна из них категории Q1 и 2 статьи - е-Library. Материалы исследований представлены на 6 конференциях (включая 3 молодежные). Сделано 2 приглашенных, 9 устных и 17 стендовых докладов.

 

Публикации

1. - Выступление руководителя гранта РНФ проф. Г.В. Курляндской в прамом эфире, рубрики «Радиолаборатория» Радиостанция «Серебрянный дождь» Екатеринбург 88,8 FM www.silver-ekb.ru, Радиолаборатория: «Наука о жизни», эфир 18 сентября 2019 года. (год публикации - ).

2. - Уральские ученые научились контролировать движение лечебного гидрогеля На сайте РНФ опубликовано сообщение о некоторых результатах проекта, 10 октября 2019 г. (год публикации - ).

3. - Цикл открытых лекций "МАГНИТНОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ В СФЕРЕ БИОМЕДИЦИНСКИХ ПРИЛОЖЕНИЙ" Cайт кммн УРФУ, кафедра магнетизма и магнитных наноматериалов: 10.11.2029 (год публикации - ).

4. - «Сопротивление: полное и гигантское» Межрегиональном химическом турнире в Екатеринбурге был представлен доклад (A.A.Членова), 11.02.2019 (год публикации - ).

5. Бляхман Ф.А., Волчков С.О., Голубева Е.В., Крохалев В.Я., Макарова Э.Б., Мехдиева К.Р., Сафронов А.П., Соколов С.Ю., Фадеев Ф.А., Честухин В.В. Детектирование магнитных наночастиц в кровеносных сосудах Материаловедение, Inorganic Materials: Applied Research (переводная версия, появится в 2020), № 9, с. 19-25 (год публикации - 2019).

6. Бляхман Ф.А., Макарова Е.Б., Шабадров П.А., Фадеев Ф.А., Шкляр Т.Ф., Сафронов А.П., Курляндская Г.В. Magnetic nanoparticles as a strong contributor to the ferrogel biocompatibility Book of Abstracts, VII Euro-Asian Symposium «Trends in MAGnetism», September 08-13, 2019, Ekaterinburg, Russia, Vol.II, pages 475-476 (год публикации - 2019).

7. Бляхман Ф.А., Макарова Э.Б., Фадеев Ф.А., Луговец Д.В., Сафронов А.П., Шабадров П.А., Шкляр Т.Ф., Мельников Г.Ю., Оруэ И., Курляндская Г.В. The Contribution of Magnetic Nanoparticles to Ferrogel Biophysical Properties Nanomaterials, 9(2), 232 (год публикации - 2019).

8. Бляхман Ф.А., Соколов С.Ю., Сафронов А.П., Динисламова О.А., Шкляр Т.Ф., Зубарев А.Ю., Курляндская Г.В. Ferrogels Ultrasonography for Biomedical Applications Sensors, 19, 39599 (год публикации - 2019).

9. Бузников Н.А., Курляндская Г.В. Magnetoimpedance in symmetric and non-symmetric nanostructured multilayers: A theoretical study. Sensors, 19, 1761 (год публикации - 2019).

10. Бузников Н.А., Курляндская Г.В. Modeling of magnetoimpedance effect in nanostructured multilayered films Journal of Physics: Conference Series, 1389, 012132 (год публикации - 2019).

11. Волчков С.О., Бляхман Ф.А., Курляндская Г.В. Использование методов компьютерного моделирования для решения задач интервенционной кардиологии. Материалы IV Международной научно - практической конференции молодых ученых и студентов, IV Форума медицинских и фармацевтических ВУЗов России «За качественное образование» Сборник статей, Изд-во УГМУ, 2019. Том 1. 209-214 (год публикации - 2019).

12. Волчков С.О., Мельников Г.Ю., Бляхман Ф.А., Курляндская Г.В. Design magnetic matrices for cell technology supporting devices Journal of Physics: Conference Series, 1389, 012072 (год публикации - 2019).

13. Журавлева М.В., Полынов В.А., Максимова Е.Н., Сафронов А.П., Курляндская Г.В. Сравнительная характеристика токсического действия ионов Fe2+ и Fe3+ на рост культуры Chlorella Vulgaris Тезисы докладов XXIX Российской молодежной научной конференции с международным участием, посвященной 150-летию Периодической таблицы химических элементов Екатеринбург, 23–26 апреля 2019., Тезисы докладов XXIX Российской молодежной научной конференции с международным участием, посвященной 150-летию Периодической таблицы химических элементов Екатеринбург, 23–26 апреля 2019, 126. (год публикации - 2019).

14. Курляндская Г.В., Сафронов А.П. Magnetic materials for biodetection Book of Abstracts of Annual Meeting Regensburg-2019, 31 March-5 April 2019, Regensburg, Germany., page 261 (год публикации - 2019).

15. Курляндская Г.В., Щербинин С.В., Бузников Н.А., А. А. Членова А.А., Свалов А.В. Magnetic Materials for Thin Film Based Magnetoimpedance Biosensing Physics of Metals and Metallography, Vol. 120, No. 13, pp. 1–9 (год публикации - 2019).

16. Максимова Е.Н., Денисова Т.П., Симонова Е.В., Сафронов А.П., Педранова В.И., Егорова И.Н., Саматов О.М., Курляндская Г.В. Влияние магнитных наночастиц оксида железа γ-Fe2O3 на рост культур водорослей и дрожжей. Материаловедение (в Inorganic Materials: Applied Research, переводная версия, появится в 2020), 9, 26-30 (год публикации - 2019).

17. Михневич Е.А., Чеботкова П.Д., Сафронов А.П., Курляндская Г.В. Influence of uniform magnetic field on elastic modulus in polyacrylamide ferrogels with embedded nickel nanoparticles Journal of Physics: Conference Series, 1389, 012059 (год публикации - 2019).

18. Полынов В.А., Максимова Е.Н., Сафронов А.П., Курляндская Г.В. Influense of various forms of iron on growth of Chlorella vulgaris Beijer culture Journal of Physics: Conference Series, 1389, 012073 (год публикации - 2019).

19. Сафронов А.П. , Адамова Л.В., Курляндская Г.В. Параметр Флори-Хаггинса в водных растворах гуара, ксантана, агарозы и геллана в водных растворах Высокомолекулярные соединения. Серия А – Физика полимеров, Т.61 (А). №1. С.33-43. (год публикации - 2019).

20. Сафронов А.П., Михневич Е.А. Magnetostriction in ferrogels based on physical and chemical networking with embedded strontium hexaferrite particles Journal of Physics: Conference Series, 1389 012057 (год публикации - 2019).

21. Сафронов А.П., Штадлер Б.Ж.Х., Ум Дж., Кохпанджи М.Р.З., Алонсо Маса Дж., Галяс А.Г., Курляндская Г.В. Polyacrylamide Ferrogels with Ni Nanowires Materials, 12, 2582 (год публикации - 2019).

22. Симонова Е.В., Кокорина Л.А., Денисова Т.П., Максимова Е.Н., Сафронов А.П., Сорокина А.И., Курляндская Г.В. Influence of metal containing nanocomposites on the kinetics of microbial population development Journal of Physics: Conference Series, 1389, 012075 (год публикации - 2019).

23. Соколов С. Ю. , Волчков С. О., Бессонов И. С., Честухин В. В., Курляндская Г. В., Бляхман Ф. А. Estimation of Blood Flow Velocity in Coronary Arteries Based on the Movement of Radiopaque Agent Pattern recognition and image analysis (advances in mathematical theory and applications), V. 29, No. 4, pp. 750–762. (год публикации - 2019).

24. Членова А.А, Бузников Н.А., Сафронов А.П, Голубева Е.В., Лепаловский В.Н., Мельников Г.Ю., Курляндская Г.В. Детектирование совокупных полей рассеяния наночастиц феррогелей с помощью прототипа магнитоимпедансного датчика: модельные представления и эксперимент. ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, том 83, № 7, с. 993–995 (год публикации - 2019).

25. Щербинин С. В., Волчков С. О., Свалов А. В., Васьковский В. О., Курляндская Г. В. Измерение параметров ферромагнитных микропроволок в частотном диапазоне от 0,1 до 20 ГГЦ Материаловедение, Inorganic Materials: Applied Research (переводная версия появится в 2020), № 9, с. 12-18 (год публикации - 2019).

26. Щербинин С.В., Волчков С.О., Членова А.А., Курляндская Г.В. Load Matching for Giant Magnetoimpedance Sensor in Coaxial Configuration Key Engineering Materials, Vol. 826, pp 19-24 (год публикации - 2019).


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В 2020 году публиковано 8 статей группы WOK. Исполнителем проекта Г.Ю. Мельниковым защищена магистерская диссертация (Ural Federal University Research Portal http://hdl.handle.net/10995/92803). Исполнителем проекта А.А. Членовой была подготовлена кандидатская диссертация защита запланирована на 17.12.2020) https://dissovet2.urfu.ru/mod/data/view.php?d=12&rid=1664&filter=1. Создано видео о детекторе слабых полей: https://km.insma.urfu.ru/, (https://youtu.be/JSHbrOUFhFc). Другие новости о результатах работы: https://meetings.aps.org/Meeting/MAR20/Session/X42.7; https://urfu.ru/ru/news/34026/; http://pi.isu.ru/ru/science/plenochny_detector.html; http://pi.isu.ru/ru/science/sovremennye_magnitnye_materialy.html. На основе копланарной линии передачи для магнитных пленок, с малой частотной дисперсией до частот порядка 40 ГГц созданы и испытаны держатели для проведения исследований ФМР в образцах, полученных помощью микролитографии. Конструкция микрополосковой линии позволила обеспечить согласование с линией Клопфенштейна литографических образцов и получить зависимость ФМР от внешнего поля. Разработана методика исследования магнитных образцов в диапазоне частот 10 - 20 ГГц и полей 1 - 2000 Э, позволяющая в одном сканировании анализировать в эффекты ГМИ и ФМР. Произведена аппроксимация компонент импеданса с помощью компонент тензора магнитной восприимчивости, полученного из уравнения Ландау-Лифшица с демпфирующим членом Гильберта. Определены границы наблюдения эффектов ГМИ и ФМР. Разработан алгоритм определения импеданса элементов шириной 0.5 мм и длиной до 12 мм, включенных в держатель на основе копланарной линии с заземленной подложкой, поддерживающей импеданс линии на постоянном уровне. Получена аппроксимация по формуле Киттеля, аналитически и численно определены компоненты тензора магнитной восприимчивости ФМР при углах поворота по отношению к внешнему магнитному полю. Получены и исследованы многослойные элементы на основе FeNi/Ti или FeNi/Cu (с индуцированной магнитной анизотропией), с высоким эффектом ГМИ. Просвечивающая электронная микроскопия подтверждает существование хорошо выраженной слоистой структуры: формирование столбчатой структуры затруднено, что и приводит к низкой коэрцитивности и одноосной магнитной анизотропии с низкой дисперсией локальных осей легкого намагничивания. Проведен теоретический анализ влияния числа слоев FeNi, их толщины, а также толщины и материала прослоек на эффект ГМИ. Зависимости ГМИ пленочной структуры от внешнего поля и частоты получены с учетом распределения электромагнитных полей и магнитной проницаемости слоев FeNi. Значения проводимостей центрального немагнитного слоя и прослоек по-разному влияют на величину ГМИ. Теоретически предсказано, что дальнейшее увеличение ГМИ может быть достигнуто при использовании прослоек из ферромагнитных материалов. Для полевых зависимостей ГМИ эффекта для элементов на основе FeNi/Ti или FeNi/Cu показало, что использованные режимы получения обеспечивают крутизну характеристики около 3,6 Ом/Э на частоте 100 МГц для элемента на основе FeNi/Ti. Для элемента на основе FeNi/Cu (1,9 Ом/Э) наибольшая крутизна характеристики наблюдается на частоте, близкой к 73 МГц. Отработана технология получения пленочных элементов меньших размеров (до 5 мм) методом ионно-плазменного распыления с последующей оптической литографией. На основе разработанного квадратурного демодулятора сигналов ГМИ-датчика создан детектор слабых магнитных полей с ГМИ пленочным элементом. В результате воздействия магнитного поля на ГМИ-элемент меняются и добротность LC-контура, и резонансная частота. Работа вблизи резонансной частоты позволяет снизить уровень помех вне полосы пропускания резонансного LC-контура. Сигнал от датчика поступает через полосовой фильтр с центральной частотой 75 МГц и шириной полосы пропускания 32 кГц по уровню -3 dB на вход квадратурного демодулятора сигнала, выполненного на аналоговых перемножителях. Амплитуда напряжения сигнала на выходе фильтра составляет -26 dBm при уровне шума -90 dBm, что обеспечивает отношение сигнал/шум по напряжению на входах перемножителей 64 dB: уровень сигнала превышает уровень шумов примерно в 1500 раз. Цифровые сигналы считываются специально написанной на языке C# программой ADCDataVisualizer, которая позволяет оценивать измеренное детектором изменение магнитного поля в режиме реального времени и записывать результаты для последующей математической обработки. Для сглаживания высокочастотных шумов в качестве ФНЧ применяется алгоритм скользящего среднего. Проведенный анализ показал, что среднеквадратичное отклонение не превышает 0.001, и относительная погрешность измерений – на уровне 0.1%, что соответствует классу точности прецизионного лабораторного оборудования. Это позволяет регистрировать магнитные поля на уровне сотен микроэрстед с помощью данного детектора. Создана двухкоординатная система позиционирования. Установка параметров перемещения каретки системы позиционирования предусмотрена в программе управления детектором. Определены оптимальные условия синтеза магнитных наночастиц (МНЧ) никеля и кобальта методом электрического взрыва проволоки (ЭВП) и наночастиц оксидов железа и алюминия методом лазерного испарения мишени (ЛИМ). МНЧ кобальта имеют сравнительно низкие значения удельной поверхности. Увеличение перегрева приводит к ее росту. Материал порошка содержит кристаллические фазы: альфа-Co, кубическая и бета-Co, гексагональная. Средний размер около 60 нм, форма МНЧ близка к сферической. Намагниченность насыщения нанопорошков несколько ниже (на 5%) в сравнении с намагниченностью насыщения объемного кобальта. Интересно наличие обменного смещения, как и следует ожидать для системы Со/СоО. Для МНЧ никеля, увеличение перегрева приводит к монотонному увеличению дисперсности порошка. Обнаружено две кристаллические фазы: Ni, кубическая, содержание ≈ 95%(вес), средний размер около 55 нм и NiО, кубическая, содержание ≈ 5%(вес), средний размер около 11 нм. Порошки состоят из сферических частиц. Намагниченность насыщения МНЧ несколько ниже намагниченности насыщения объемного никеля. ЛИМ МНЧ оксида железа имели средний диаметр около 12 нм и близкую к сферической форму, содержали аморфную и кристаллическую, (маггемит) составляющие. Нанопорошки Al2O3, полученные методом ЛИМ, состоят из слабоагрегированных частиц сферической формы (размер около 20-25 нм). Петля магнитного гистерезиса представляет собой линейный отклик диамагнетика с отрицательным наклоном. Синтез полиакриламидных ФГ проводили свободнорадикальной полимеризацией в водном растворе акриламида (АА) и сшивающего агента (МДАА) при соотношении МДАА/АА 1:100. Получены феррогели с содержанием МНЧ маггемита 0.63 и 1.19% (вес.). Для отработки режима чувствительности ГМИ датчика были синтезированы ФГ, блочные магнитополимерные композиты на основе эпоксидной смолы и пленочные магнитополимерные композиты на основе акрилового сополимера БМК-5 и циклополиолефина TOPAS. В качестве магнитного наполнителя использовали частицы магнетита со средним диаметром частиц 250 нм. Синтезированы композиты, содержащие 5, 10, 30, 50, 70% (вес.) МНЧ. Пленочные композиты на основе никеля и кобальта получали методом отливки. В качестве перспективной матрицы для синтеза ФГ был исследован биосовместимый гидрогель полигидроксиэтилметакрилата (pHEMA). Параметр Флори-Хаггинса составил -0.41 для растворов pHEMA в ДМСО и -0.1 для растворов pHEMA в воде, указывая, что хорошее термодинамическое сродство pHEMA к ДМСО определяется исключительно энтальпийной компонентой параметра Флори-Хаггинса. В противоположность растворам pHEMA в ДМСО, водные растворы характеризуются большими отрицательными значениями некомбинаторной энтропии, что указывает на сильное упорядочение в растворе. Водные растворы являются гомогенными лишь в ограниченном диапазоне составов при весовой концентрации pHEMA выше 40%. Поэтому взаимодействия pHEMA с водой и ДМСО, гели pHEMA, синтезированные в этих растворителях, существенно различаются между собой. Реакционная среда синтеза во всех случаях была гомогенной, а фазовое разделение наблюдалось в процессе формирования сетки геля. Гели рНЕМА, синтезированные в хорошем растворителе - ДМСО, являются гомогенными при любой концентрации мономера в реакционной смеси. Гетерогенные гели, синтезированные в воде, остаются гетерогенными и при помещении в ДМСО. Полученные данные создают основу для формирования микроскопической структуры матриц для биомедицинских приложений. Для всех гелей методом одноосного квазистатического сжатия были определены модули сдвига: модуль гетерогенных гелей, синтезированных в воде, систематически выше, чем модуль гетерогенных гелей, синтезированных в ДМСО. Полученные данные свидетельствуют о том, что использование таких приемов, как синтез в плохом или хорошем растворителе, варьирование концентрации мономера при синтезе, смена растворителя позволяют получать гели рНЕМА, модуль которых изменяется в широком диапазоне. Для тестирования гипотезы о роли магнитной природы наночастиц были синтезированы PAAm гели, наполненные НЧ оксида алюминия (ОА). Тестировались гели с различной плотностью сшивки и одинаковой весовой долей НЧ Al2O3 (0.5%). Электрический потенциал в гелях с одинаковой концентрацией ОА значимым образом не зависит от плотности сшивки. Однако модуль Юнга ожидаемо оказался тем больше, чем плотнее сшит гель. Вне зависимости от типа композита добавление частиц в минимальной концентрации (0.5%) в полимерную сеть РААm гидрогеля приводит к увеличению жесткости материала (вклад частиц оксидов железа и алюминия в величину модуля примерно одинаков). При увеличении концентрации частиц с 0.5 до 1.0% наблюдается различная динамика модуля Юнга: жесткость ФГ достоверно увеличивается, а в АГ гелях с наблюдается тенденция к снижению модуля. При увеличении концентрации частиц с 1.0 до 2.0% жесткость ФГ не меняется, в то время как в АГ гелях продолжается снижение модуля. Динамика показателей механических и электрических свойств существенным образом отличается в полиакриламидных гелях, наполненных НЧ различной природы. В двух типах композитов существует корреляция между параметрами, характеризующими упругие и электрические свойства образцов. Полученные результаты позволили сформулировать корректную постановку экспериментов, направленных на выяснение роли МНЧ и НЧ в эффектах активности клеток на поверхности композитов. Для снижения влияния физических факторов тестируемых клеточных платформ, необходимо сравнивать пролиферацию клеток для двух типов гелей при концентрации НЧ 0.5%. При независимой оценке: для АГ это образцы с концентрацией частиц 0.5 и 1.0%, а для ФГ - 1.0 и 2.0%. Для выполнения биологических экспериментов были синтезированы образцы гелей с различной концентрацией НЧ оксида железа и оксида алюминия (0 – 2 % по весу) в форме дисков (диаметр ~13 мм, толщина ~ 1 мм). Пробный тест, направленный на оценку возможного потенциала взаимодействия клеток АГ на композитах с оксидом алюминия показал, что после четырех суток инкубации клеток было установлено более чем двукратное увеличение плотности монослоя фибробластов на алюминиевых композитах по сравнению с базовым гелем. Исследованы эффекты влияния магнитного поля на пролиферацию стволовых клеток и фибробластов. Создана новая матрица из 48 постоянных магнитов. Хондроциты культивировались на гелях с различной концентрацией МНЧ с плотностью сшивки 1:100 и весовой долей МНЧ 0.0, 0.5 и 1.0% в присутствии поля и без него. В присутствии магнитного поля пролиферация хондроцитов на поверхностях базового геля и полистирола выражена в меньшей степени, чем без его. В магнитном поле уровень пролиферации хондроцитов на ФГ больше, чем в его отсутствии. Возможно, что МНЧ в магнитном поле модифицируют поверхность ФГ. Вне зависимости от присутствия магнитного поля реакция хондроцитов на увеличение концентрации МНЧ в геле такова же, как и для фибробластов: плотность монослоя возрастает по мере увеличения концентрации МНЧ. Эксперименты по тестированию биологической активности клеток в магнитном поле были выполнены на культурах дермальных фибробластов человека и мезенхимальных стволовых клеток человека. Полученные данные демонстрируют вклад магнитного поля в скорость пролиферации двух типов клеток не только на поверхности ФГ, но и на поверхностях геля и культурального пластика. Совокупность полученных результатов по данному направлению работ позволяет говорить о позитивном действии внешнего постоянного магнитного поля на процесс пролиферации различных типов клеток на поверхности ФГ. ГМИ детектирование осуществлялось на модели кровеносного сосуда, прототип содержал трубку со вставкой из геля, наполненного МНЧ. Образцы представляли собой композиты гель/ФГ/гель в виде последовательно соединенных цилиндров одинакового диаметра 6 мм и длиной 2 мм или образцы эпоксидной смолы той же конфигурации с 30% массовым содержанием микрочастиц оксида железа. В исследованиях ГМИ отклика пленочных элементов в присутствии образцов гелей/ФГ или эпоксидной смолы элемент приклеивался в микрополосковую линию. Максимальное отличие величины ГМИ в присутствии и отсутствии вставки наблюдалось при частоте 64 МГц. Моделирование полей рассеяния вставки выполнено в Comsol MultiPhysics. С помощью разработанного автономного детектора слабых магнитных полей проведено измерение эффективного вклада полей рассеяния образцов эпоксидного композита с содержанием магнетита (Fe3O4) от 0 до 70% по массе. Проведенные измерения позволяют построить зависимость уровня сигнала автономного ГМИ детектора и соответствующей напряженности магнитного поля от концентрации магнетита. Проведены расчеты полей рассеяния ансамблей магнитных наночастиц в образцах ФГ, содержащих многодоменные МНЧ. Разработан протокол интервенции, включая подбор материала и технику его фиксации в объекте. В качестве имплантата были использованы ФГ на основе полиакриламида с плотностью сшивки 1:100, наполненные Fe2O3 МНЧ с весовой долей 1.3%. Отработана и тестирована в пилотных экспериментах in-vivo на кроликах технология имплантации ФГ в сформированные костно-хрящевые дефекты коленного сустава. Выполненные работы позволили создать фантомы суставной сумки с внедренным имплантатом из ФГ, необходимые для тестирования нового ГМИ датчика. Для обоснования возможности использования ГМИ сенсора при детектировании сложных гемодинамических ситуаций в артериях со стенозом использовалось компьютерное моделирование. Рассматривали течение крови в модельном сосуде с переменным сечением и нативной коронарной артерии со стенозом. Для описания гемодинамики использовались модель Навье-Стокса и модель Карро для неньютоновской жидкости. Предсказано, что в нативной артерии со стенозом распределение скорости кровотока и вязкости может быть асимметричным, и их локальные значения отличаются от средних величин. Разработана компьютерная гемодинамическая модель для реальных коронарных артерий, с введением МНЧ в качестве контрастного вещества для для визуализации сосудистой системы с использованием ГМИ сенсора. Особенности геометрии коронарной артерии были получены по оцифрованным данным ангиографического обследования пациентов с последующим применением алгоритмов распознавания образов. Получено распределение полей рассеяния МНЧ, движущихся по коронарной артерии, которые могут вносить вклад в импеданс системы и детектироваться ГМИ сенсором. Обоснована актуальность разработки ФГ с переменными магнитными характеристиками, управление которыми может осуществляться без воздействия внешним магнитным полем за счет механомагнитного эффекта. Полученные результаты создают основу для проектирования устройства для тестирования нового ГМИ сенсора, которое потенциально может быть использовано в качестве платформы с переменными механическими и магнитными характеристиками.

 

Публикации

1. - Functional ferrogels: from magnetic biosensors to regenerative medicine Bulletin of the American Physical Society Volume 65, Number 1, Session X42: Structured Materials., G.V. Kurlyandskaya, A.P. Safronov, F.A. Blyakhman, S.V. Shcherbinin N.A. Buznikov, APS March Meeting 2020, Monday–Friday, March 2–6, 2020; Denver, Colorado, USA. (год публикации - ).

2. - «Современные магнитные материалы - путь к персонализированной медицине и высокотехнологичному здравоохранению» Сайт Педагогического института Иркутского государственного университета, раздел «Новости науки»., Статья руководителя данного проекта РНФ Г.В. Курляндской (год публикации - ).

3. - ПЛЕНОЧНЫЙ ДЕТЕКТОР НА ОСНОВЕ МАГНИТОИМПЕДАНСНОГО ЭФФЕКТА: ФОКУС НА БИОМЕДИЦИНСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ Сайт Педагогического института Иркутского государственного университета, раздел «Новости науки», Видео ролик (год публикации - ).

4. - Ученые создали матмодель для диагностики и лечения стеноза артерий Новостной сайт Уральского федерального университета, Новости университета (год публикации - ).

5. - Прототип пленочного сенсора Сайт кафедры магнетизма и магнитных наноматериалов УрФУ, Новости кафедры (год публикации - ).

6. - Ученые создали матмодель для диагностики и лечения стеноза артерий Сайт РНФ, 19 ноября 2020 (год публикации - ).

7. Бляхман Ф.А., Макарова Э.Б., Шабадров П.А., Фадеев Ф.А., Шкляр Т.Ф., Сафронов А.П., Комогорцев С. В., Курляндская Г.В. Магнитные наночастицы как фактор, определяющий биосовместимость феррогелей Физика металлов и металловедение, 121, 4, 339-345 (год публикации - 2020).

8. Бляхман Ф.А., Мельников Г.Ю., Макарова Е.Б., Фадеев Ф.А., Седнева-Луговец Д.В., Шабадров П.А., Волчков С.О., Мехдиева К.Р., Сафронов А.П., Фернандес Армас С., Курляндская Г.В. Effects of constant magnetic field to the proliferation rate of human fibroblasts grown onto different substrates: tissue culture polystyrene, polyacrylamide hydrogel and ferrogels γ-Fe2O3 magnetic nanoparticles Nanomaterials, 10, 1697 (год публикации - 2020).

9. Денисова Т.П., Симонова Е.В., Максимова Е.Н., Хандуханов Р.Т., Сафронов А.П., Курляндская Г.В. Изучение токсического действия наночастиц оксида железа на дрожжи Институт биологии внутренних вод им. И.Д. Папанина РАН, 52-55 (год публикации - 2020).

10. Козлов Н.В., Членова А.А., Волчков С.О., Курляндская Г.В. The Study of Magnetic Permeability and Magnetoimpedance: Effect of Ferromagnetic Alloy Characteristics AIP Conference Proceedings of The VII International YoungResearchers' Conference - Physics, Technology, Innovations (PTI-2020), AIPCP20-AR-PTI2020-00062 (год публикации - 2020).

11. Кузнецова Е.Д., Адамова Л.В., Сафронов А.П. Термодинамика взаимодействия с водой смесей полидиаллилдиметиламмоний хлорида с полиакриламидом Тезисы докладов XXX Российской молодежной научной конференции с международным участием, посвященной 100-летию Уральского федерального университета, стр. 36 (год публикации - 2020).

12. Курляндская Г.В., Бляхман Ф.А., Бузников Н.А., Сафронов А.П., Щербинин С.В. Functional magnetic ferrogels: from biosensors to regenerative medicine The 65th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM 2020) Palm Beach, Florida, MMM 2020/SESSIONS/J1: BIOMEDICAL APPLICATIONS I - THERAPEUTIC APPLICATIONS J1-07 (год публикации - 2020).

13. Курляндская Г.В., Сафронов А.П., Бляхман Ф.А., Щербинин С.В., Бузников Н.А. Functional ferrogels: from magnetic biosensors to regenerative medicine APS March Meeting 2020, Volume 65, Number 1 Monday–Friday, March 2–6, 2020; Denver, Colorado, Bulletin of the American Physical Society, Volume 65, Number 1, Abstract: X42.00007 (год публикации - 2020).

14. Мельников Г. Ю. Метрологическое обеспечение научных исследований по созданию магнитных пленочных биосенсоров : магистерская диссертация Электронный научный архив УрФУ, http://hdl.handle.net/10995/92803 (год публикации - 2020).

15. Мельников Г.Ю., Сосян Д.А., Мелкозеров Д.А., Бляхман Ф.А., Курляндская Г.В. Проектирование эксперимента для создания средств адресной доставки лекарств на основе феррогелей Материалы V Международной научно - практической конференции молодых ученых и студентов «Актуальные вопросы современной медицинской науки и здравоохранения» Сборник статей, том 1, номер 1, стр.177-182 (год публикации - 2020).

16. Сосян Д.А., Мельников Г.А., Мелкозеров Д.И., Курляндская Г.В., Бляхман Ф.А. Магнито-деформационный эффект в феррогелях, выбранных в качестве платформ для инженерии тканей Материалы V Международной научно - практической конференции молодых ученых и студентов «Актуальные вопросы современной медицинской науки и здравоохранения» Сборник статей, том 1, стр. 182-187 (год публикации - 2020).

17. Старкова Т.Д., Михневич Е.А., Сафронов А.П. Влияние магнитного поля на степень набухания и механические свойства феррогелей на основе Fe3O4 И SrFe12O19 Проблемы теоретической и экспериментальной химии. Тезисы докладов XXX Российской молодежной научной конференции с международным участием, посвященной 100-летию Уральского федерального университета, стр.43 (год публикации - 2020).

18. Стародумов И.О., Бляхман Ф.А., Соколов С.Ю., Бессонов И.С.,Зубарев А.Ю., Александров Д.В. In-silico study of hemodynamic effects in a coronary artery with stenosis European Physical Journal Special Topics, 229, 3009-3020 (год публикации - 2020).

19. Черемных Л.А., Кузнецова Е.Д., Адамова Л.В., Сафронов А.П. Сорбционные свойства по отношению к воде полидиаллилдиметиламмоний хлорида, полиакриламида и их смеси Проблемы теоретической и экспериментальной химии. Тезисы докладов XXX Российской молодежной научной конференции с международным участием, посвященной 100-летию Уральского федерального университета, стр.47 (год публикации - 2020).

20. Членова А.А., Курляндская Г.В., Свалов А.В. Asymmetric magnetoimpedance sensitive element International Magnetics Conference 2020 Around-the-Clock Around-the-Globe (AtC-AtG), IEEE Magnetics Society, page 41 (год публикации - 2020).

21. Шабадров П.А., Бляхман Ф.А., Сафронов А.П. Влияние магнитных и немагнитных наночастиц на степень набухания полиакриламидных композитных матриц для клеточных технологий Материалы V Международной научно - практической конференции молодых ученых и студентов «Актуальные вопросы современной медицинской науки и здравоохранения» Сборник статей, том 1, стр.187-191 (год публикации - 2020).

22. Шкляр Т.Ф., Орхей Э.А., Сафронов А.П., Бляхман Ф.А. Biocompatible contactless electrically responsive hydrogel-based force maker Polymer International, 69, 10, 912-919 (год публикации - 2020).

23. Щербинин С.В., Перес Р., Васкес М., Курляндская Г.В. Ferromagnetic resonance in electroplated CuBe/FeCoNi and amorphous CoFeSiB wires IEEE Transactions on Magnetics, 56, 4, 2800110 (год публикации - 2020).

24. Щербинин С.В., Свалов А.В., Мельников Г.Ю., Курляндская Г.В. Angular dependence of the ferromagnetic resonance parameters of [Ti/FeNi]6/Ti/Cu/Ti/[FeNi/Ti]6 nanostructured multilayered elements in the wide frequency range Nanomaterials, 10(3), 433 (год публикации - 2020).

25. Ярушин К.А., Щербинин С.В., Курляндская Г.В. DDS Control And Magneto-Impedance Sensor Signal Lock-In Amplifier Data Reading Program AIP Conference Proceedings of The VII International Young Researchers' Conference - Physics, Technology, Innovations (PTI-2020), MS ID: AIPCP20-AR-PTI2020-00107 (год публикации - 2020).