Magneettiset polymeerikomposiitit

Magneettiset polymeerikomposiitit ovat komposiittimateriaaleja, joilla on magneettinen ominaisuus. Ne luovat ympärilleen pysyvän tai väliaikaisen magneettikentän, tai sähkökentässä ollessaan reagoivat siihen. Magneettisia polymeerikomposiitteja kehitetään jatkuvasti biolääketieteen, pinnoittamisen, mikrofluidiikan ja mikroelektroniikan tarpeisiin. Poikkeuksellisia niistä tekee kyky muuttaa muotoa ja muita ominaisuuksiaan, olla siirreltävissä ilman fyysistä kontaktia ja aktivoitua magneettikentän alaisena.
Polymeerit ovat harvoin luonnostaan magneettisia. Eräs harvinainen poikkeus tähän on polyaniliinin ja tetrasyanokinodimetaanin (TCNQ) muodostama polymeeri, joka säilyttää magneettisuutensa ilman ulkoista magneettikenttää huoneenlämmössä. Vuonna 2004 Durhamin yliopistossa Englannissa kehitetty muovimagneetti perustaa toimintansa vapaiden radikaalien järjestyneisyyteen, ja lopullinen varaus kehittyy muutaman kuukauden aikana valmistuksesta.

Jaottelu

Magneettiset polymeerikomposiitit voidaan jakaa karkeasti viiteen ryhmään: elastomeereihin, ferrogeeleihin, bioyhteensopiviin polymeereihin, termoresponsiivisiin polymeereihin ja muistipolymeereihin.

Elastomeerit

Elastomeerin magneettisuus syntyy seostamalla siihen magneettisia partikkeleita. Magneettikentässä partikkeleihin kohdistuva voima siirtyy polymeerimatriisiin ja vetää kappaletta puoleensa (homogeeninen kenttä) tai pyrkii muuttamaan tämän muotoa (heterogeeninen kenttä). Magneettisuus voi aiheuttaa huomattavaa nousua Youngin moduulissa, pseudoplastisuutta tai muistia pehmeissä elastomeereissa. Magneettisen voiman vaikutusta vahvistavat elastomeerin matala elastisuusmoduuli ja seospartikkeleiden korkea magneettisuustaipumus ja pitoisuus. Magneettikentässä voidaan valmistaa räätälöityjä elastomeereja, joissa partikkelit ovat orientoituneita myös mekaanisilta, sähkönjohtavuus- ja magneettisilta ominaisuuksiltaan. Näissä magneettiset hiukkaset voivat järjestäytyä ketjuiksi magneettikentän suunnan mukaisesti.

Ferrogeelit

Ferrogeelejä voidaan pitää turvonneina verkkoina, joissa on superparamagneettisia partikkeleita, tai vastaavasti kemiallisesti ristisilloittuneina polymeereina, jotka sitovat itseensä ferrofluidia. Superparamagneettisuus on ferromagneettisille nanopartikkeleille tyypillinen ominaisuus, jonka takia niiden luoma magneettikenttä voi vaihtaa suuntaa lämpötilan vaikutuksesta. Kahden suunnanvaihdoksen välistä aikaa kutsutaan Néelin relaksaatioajaksi.
Ferrogeelien magneettikenttävaste on hyvin nopea ja ne voivat asettua alle sekunnissa jyrkkäkulmaisiin, venyneisiin ja kiertyneisiin muotoihin heterogeenisessa magneettikentässä. Partikkelit ovat kiinnittyneinä polymeeriverkostoon adheesiovoimilla, jolloin metallinanopartikkelien magneettiset ja polymeerin mekaaniset ominaisuudet pääosin säilyvät. Magneettikentän hävitessä ferrogeelit palautuvat heti alkuperäiseen muotoonsa. Tyypillinen polymeeri on ristisilloittunut polyvinyylialkoholin (PVA) hydrogeeli, jossa on kolloidikokoisia magnetiittihiukkasia. Valmistustapa on samanlainen kuin muillakin täyteaineisilla elastomeereilla: partikkelit voidaan lisätä matriisiin ennen ristisilloitusreaktiota, sen aikana tai sen jälkeen.

Bioyhteensopivat polymeerit

Biologisissa sovelluksissa magneettisuutta hyödynnetään lääkeaineiden kuljetuksessa, yksittäisten solujen manipuloinnissa sekä komponenttien separaatiossa, kun kohteena ovat monimutkaiset liuos- ja ympäristönäytteet.

Magneettinen lääkeaineiden kuljetus

Lääkeaineiden hallitussa vapauttamisessa haasteena on usein kohdistaminen oikeaan kudokseen tai soluun. Magneettisuus on yksi harvoja keinoja, joilla voidaan hallita lääkeainetta kuljettavaa objektia kehon ulkopuolelta. Magneettikentällä ohjattavat nanokokoiset objektit mahdollistavat lääkeaineen vapauttamisen oikea-aikaisesti kohdesolujen luona, ja monissa tapauksissa myös kudokseen siirtyminen helpottuu.
Kuljettavalta objektilta vaaditaan hyvää ohjattavuutta, eli ulkoisen magneettikentän avulla sitä on monissa tapauksissa voitava ohjata voimakkaasta verenkierrosta huolimatta ja ihmiskehon muotojen takia riittävän etäältä. Suurin osa magneettiohjatuista drug carrier –sovelluksista hyödyntääkin staattista magneettikenttää, jolla kuljetinlaite saadaan pysähtymään halutulle alueelle ja vapauttamaan lääkeainetta paikallisesti. Esimerkiksi teräksinen stentti voidaan magnetisoida ulkoisella magneettikentällä, jolloin magneettiset, lääkeainetta kantavat nanopartikkelit saadaan kiinnittymään siihen ja stentinalaiseen kudokseen. Magneettisuutta voidaan hyödyntää myös syöpähoidoissa ja kuvantamisessa sekä geeniterapiassa. Soluterapiassa rautaoksidia sisältäneet PLA-nanopartikkelit kuljettivat onnistuneesti eristettyjä valtimon sisäpinnan soluja stentille, muodostaen uuden endoteelin sen pintaan.

Termoresponsiiviset polymeerit

Muuttuva magneettikenttä aiheuttaa magneettisissa hiukkasissa tilanmuutoksen, joka voidaan havaita lämmön muodostumisena. Ilmiö tunnetaan paremmin induktiona, joka käytännössä tuotetaan vaihtovirtakentällä. Tällöin lämpö syntyy joko ferromagneettisten partikkelien hystereesihäviöistä tai superparamagneettisten partikkelien relaksaatioliikkeestä. Seurauksena termoresponsiivisessa polymeerimatriisissa saadaan aikaan faasi- tai konformaatiomuutos. Lämmitettäessä magneettisia partikkeleita in vivo –sovelluksissa riskinä on ylikuumeneminen, mutta materiaalien Curie-lämpötilat huomioon ottamalla tämä voidaan välttää. Curie-lämpötilaa korkeammassa lämpötilassa ferromagneettisuus katoaa, jolloin magneettikentän vaikutus hiukkaseen heikkenee merkittävästi.
Esimerkiksi lääkeaineiden annostelussa toinen suuri haaste on aineen tasainen vapautuminen kantajamatriisin hajotessa. Induktiivisella lämmityksellä voidaan muuttaa termosensensitiivisen materiaalin ominaisuuksia väliaikaisesti, muun muassa rakennetta. Tällöin magneettiset partikkelit saadaan vapauttamaan lääkeainetta paitsi oikeassa paikassa myös oikeaan aikaan ja halutussa määrin.

Muistipolymeerit

Muistipolymeereista voidaan rakentaa monimutkaisia systeemejä, joita hallitaan lämpötilan muutoksilla. Muistipolymeerit ovat yleensä termoplasteja, joilla on lasi- tai sulamispiste. Muistiominaisuus aiheutetaan muovaamalla polymeeria muutospisteen yläpuolella, jonka jälkeen nopea jäähdytys saa sen palaamaan alkuperäiseen muotoonsa. Lämmitettäessä polymeeria uudelleen se ottaa muovatun muodon. Lämmitys voi tapahtua joko ympäristön kautta tai vaihtovirtakentän avulla, edellyttäen, että polymeeriin on seostettu magneettisia hiukkasia.
Hiukkaspitoisuuden nostaminen parantaa lämmitettävyyttä, mutta alentaa usein murtopistettä. Yhdistämällä ympäristön lämmitys ja valittuihin osiin kohdistuva magneettikentän lisälämmitys voidaan saavuttaa hyvinkin monimutkaisia muodonmuutosketjuja ja fyysisiä rakenteita.

Muita sovelluksia

Yksinkertaisista muovin tai kumin ja metallipartikkeleiden seoksista valmistetaan muun muassa magneettisia listoja ja rakennustarvikkeita ja ikkunoiden ja ovien sulkimia. Komposiitteja käytetään myös tulostuspintoina, leluissa, taidetarvikkeissa, autoissa ja moottoreissa (esimerkiksi staattorit, roottorit ja kytkimet), erilaisissa sensoreissa, kylteissä ja taipuisien LED-näyttöjen taustana. Komposiittimagneeteilla on käytännössä metallisia ja keraamisia magneetteja heikompi magneettisuus, kapeampi käyttölämpötila-alue ja alhaisempi lämpötilastabiilisuus, mutta toisaalta etuna on muovien ja kumien kaltainen käyttäytyminen sekä muotoilun mahdollisuudet.

Materiaalit ja valmistus

Valmistus tapahtuu sekoittamalla magneettista metallijauhetta, kuten ferriitiä Fe2O3, nikkeliä tai kobolttia, polymeerihartsiin ja kovettamalla komposiitti ruiskuvalun tai ekstruusion yhteydessä. Tärkeimpiä materiaaleja ovat ferriitti, NdFeB, SmCo sekä SmFeN. Ferriitti on yleisin ja myös halvin vaihtoehto useimpiin sovelluksiin. Muiden metalliseosten etuna on ferriittiä korkeampi pysyvä magneettisuus, ja osalla parempi lämmönsietokyky ja magneettisuuden pysyvyys lämpötilan noustessa.
Magneettisia polymeerikappaleita voidaan valmistaa tavanomaisilla työstölaitteilla- ja prosesseilla. Jatkuvia kappaleita tehdään ekstruusiolla, levyjä ja nauhoja myös kalanteroimalla. Kappalemaiset tuotteet voidaan tehdä ruiskuvalulla tai ahtopuristamalla. Ahtopuristuksessa kappaleaihio asetetaan kuumennettavaan muottiin, jossa paine puristaa kappaleen muotin muotoiseksi. Paljon käytetty tekniikka soveltuu hyvin epoksille, ja magneettijauhepitoisuus voi olla yli 80 tilavuus-%. Ruiskuvaletuissa kappaleissa magneettijauhepitoisuus voi olla 50-60 tilavuus-%.