СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИОСОВМЕСТИМОГО НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО КОМПОЗИЦИОННОГО ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩЕГО МАТЕРИАЛА
METHOD FOR PREPARING BIOCOMPATIBLE NANOSTRUCTURE CONDUCTING COMPOSITE

Заявляемое изобретение относится к области биомедицинской техники, в частности к способам создания электропроводящих биосовместимых материалов, применяемых в диагностике, лечении, в передаче электрических сигналов, информации и энергии. В медицинской практике они могу быть использованы в сердечней хирургии, биосенсорах, в борьбе против эпилепсии, в управлении мышечной ткани, при электрической стимуляции роста биологический тканей и восстановления функционализации нервов, для передачи электрических сигналов в процессе стимуляции работы органов и в других случаях.
Известен способ получения биосовместимого наноструктурированного композиционного электропроводящего материала на основе полимеров, в матрицу которого могут добавляться различные наночастицы, в том числе углеродные нанотрубки (УНТ), нанотрубки оксидов металлов и др. [1]. В качестве матрицы используются полимерные материалы из различных групп, в том числе: акрилаты, акриловые кислоты, полиакриловые эфиры, полиакриламиды, полиакрилнитрилы, хлорированные полимеры, фторсодержащие полимеры, полимеры стирола, синтетические резиновые полимеры, винилхлорид-акрилатные полимеры, сополимеры и др. Для достижения биосовместимости материала в его матрицу вводят вещества с биологическими молекулами из одной или нескольких групп, например: биологические электролиты, нуклеиновые кислоты, полиаминокислоты, альбумин, хитозан, каррагинан, карбоксиметилцеллюлозу и др. Наполнитель (добавку) выбирают из различных групп, например: биомолекулы одного или нескольких видов, электропроводящие материалы, УНТ, нанотрубки оксида металла, такие как нанотрубки диоксида титана и т.п.
Недостатком этого способа получения наноструктурированного электропроводящего материала является его сложность приготовления и невысокая удельная электропроводность конечного продукта.
Известен способ приготовления волоконного биосовместимого наноструктурированного композиционного электропроводящего материала, в составе матрицы которого используют материалы из одной или нескольких групп, например: биологические электролиты, нуклеиновые кислоты, полиаминокислоты, белки, ферменты, полисахариды, липиды и др. [2]. Биологические электролиты может состоять из одной или нескольких групп, включая хитозан, спермидин, альбумин, каррагинан, карбоксиметилцеллюлозу и др. В качестве наполнителя выбирают различные материалы, в том числе: УНТ и нанотрубки оксида металла. При этом УНТ могут быть как одностенные (ОУНТ), так и многостенные УНТ (МУНТ), а их концентрация в общей массе композиционного материала превышает 20%. Биосовмсетимый наноструктурированный электропроводящий материал в твердом состоянии удается получить путем добавлениия в суспензии специальных средств коагуляторов и вытягивание и закручивание из нее волокон. При таком способе приготовления электропроводящего биосовместимого материала в виде волокон УНТ преимущественно ориентировались по его длине, и, тем самым, добивалась высокая удельная электропроводность волокон.
Недостатком этого способа получения наноструктурированного электропроводящего материала является сложность и одномерная форма (волокно) конечного электропроводящего продукта.
Наиболее близким техническим решением является способ получения объемного биосовместимого наноматериала, содержащего углеродные нанотрубки, характеризующийся тем, что проводят лазерное облучение его водного раствора  вплоть до испарения жидкостной составляющей раствора [3]. Недостатком этого способа является не строгий контроль режима облучения, поскольку для получения конечного наноматериала в основном требуется испарение жидкостной составляющей раствора. Однако для получения наноматериала с максимальной удельной электропроводимости требуются подбор оптимального режима лазерного облучения.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения композиционного биосовместимого наноматериала с высокой электропроводностью за счет наноструктурирование углеродных нанотрубок в суспензии путем воздействия на суспензии лазерным излучением.
2
Указанный технический результат достигают тем, что в известном способе получения биосовместимого наноструктурированного композиционного электропроводящего наноматериала, включающем приготовление ультрадисперсионной суспензии из биосовместимого материала и углеродных нанотрубок, в котором наноструктурирование углеродных нанотрубок в суспензии проводят воздействием на суспензию лазерным излучением в непрерывном режиме при длинах волн генерации 0,81÷0,97 мкм и интенсивности облучении 0,5÷5 Вт/см. В указанном способе получения биосовместимого наноструктурированного композиционного электропроводящего материала в качестве биосовместимого материала используют карбоксиметилцеллюлозу.
2
2
2
При длинах волн 0,81 мкм и 0,97 мкм наблюдается высокая поглощающая способность лазерного излучения композиционным материалом, а в области интенсивности I≈0,5÷5 Вт/см - оптимальное структурирование углеродных нанотрубок. Следует отметить, что при I>5 Вт/см происходит перегрев и горение материала, так как при I<0,5 Вт/см электрическое поле созданное лазерным лучом в материале слабое, и, соответственно, наноструктурирование углеродных нанотрубок в материале недостаточно.
В заявляемом изобретение приготовлялись суспензии с основными компонентами в следующих количественных соотношениях (в % по массе):
Карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ)
3-5
МУНТ
0,1-0,5
Вода
остальная часть.
Предложенный способ приготовления позволяет получить наноструктурированный композиционный электропроводящий материал с любой топологической формой (3-D, 2-D, 1-D) и консистенцией.
8
2
Традиционные металлические провода имеют недостатки: низкий уровень биосовместимости, недостаточные механические и электропроводящие свойства. Например, прочность на разрыв и удельная электропроводность, приведенные к плотности материала, у медного нанопровода на несколько порядков меньше, чем у углеродных нанотрубок (УНТ). УНТ выдерживают высокую плотность тока (≥10 А/см), что на 4-5 порядков больше, чем у медного нанопровода [4]. Таким образом, нанопровода на основе УНТ будут востребованы как в биомедицинских приложениях, так и в микро- и наноэлектромеханических системах.
Высокая электропроводность композиционного биосовместимого наноматериала с добавками МУНТ связана с многими факторами, в т.ч. с высокой эффективностью коагуляции суспензии КМЦ+МУНТ под воздействием лазерного излучения; со структурированием углеродных нанотрубок преимущественно в одном направлении - по направлению электрического поля лазерного луча. Сильное электрическое поле лазерного излучения в суспензии ориентирует углеродные нанотрубки в виде параллельных нитей и, тем самым, способствует повышению электропроводности наноматериала.
2
Пример осуществления предложенного способа получения наноструктурированного композиционного электропроводящего материала. При комнатной температуре в дистиллированной воде растворяют порошок КМЦ. Суспензию перемешивают с помощью механической мешалки в течение 0,7-0,9 час. Затем полученную суспензию диспергируют в ультразвуковой ванне в течение 0,8-1,0 час. В следующем этапе добавляют порошок МУНТ и полученную суспензию КМЦ+МУНТ перемешивают и диспергируют аналогично КМЦ. Полученную ультрадисперсионную суспензию заливают в нужную форму и через ее открытую поверхность проводят лазерное облучение. Источником лазерного излучения может служить лазер длиной λ волны генерации в области (0,81-0,97) мкм, в частности диодный инфракрасный лазер - λ=0,97 мкм с оптоволоконным выходом излучения. Интенсивность излучения, подающее на поверхности суспензии, регулируется в диапазоне 0,5-5 Вт/см.
Под воздействием лазерного излучения происходит коагуляция (свертывание, сгущение) суспензии, производится структурирование УНТ по направлению электрического поля лазерного луча и одновременно суспензия теряет влагу на испарение. При этом в высушенном состоянии масса наноматериала приблизительно в 10 раз меньше, чем его масса в состоянии суспензии.
В процессе приготовления наноструктурированного композиционного биосовместимого наноматериала контролируются параметры: режим облучения (непрерывный, импульсный), время облучения, интенсивность облучения, температура нагрева суспензии, а также процентное содержание по массе ее составных компонентов. Такой контроль позволяет получить желаемый материал с удельной электропроводностью в широком диапазоне - 100-5000 См/м.
В таблице 1 приводятся типичные значения σ для композиционных биосовместимых наноматериалов, имеющих различные составы, где 4 мас.% КМЦ (суспензия) - 4 мас.% карбоксиметилцеллюлоза (водная суспензия); 4 мас.% КМЦ (высушен) - карбоксиметилцеллюлоза в высушенной форме; 4 мас.% КМЦ + 0,5 мас.% сажи К-354 - смесь карбоксиметилцеллюлозы и сажи К-354 в высушенной форме; 4 мас.% КМЦ + 0,5 мас.% МУНТ (суспензия) - карбоксиметилцеллюлоза и МУНТ (водная суспензия); 4 мас.% КМЦ + 5 мас.% МУНТ (высушен) - карбоксиметилцеллюлоза и МУНТ в высушенной форме. В последнем случае концентрация МУНТ оценивалась с учетом потери влаги суспензии 4 мас.% КМЦ + 0,5 мас.% МУНТ (суспензия) при ее коагуляции и сушении. Необходимо отметить, что конечный продукт 4 мас.% КМЦ + 5 мас.% сажи К-354 (высушен) приготовлялся в целях сопоставления к основному продукту 4 мас.% КМЦ + 5 мас.% МУНТ (высушен). Видно огромное преимущество по удельной электропроводности (более 4 порядков) наноструктурированного композиционного наноматериала на основе МУНТ относительно композиционного материала на основе сажи К-354. При этом способ приготовления и процентные соотношения составов для обеих случаев являются идентичными.
Таблица 1
Удельная электропроводность композиционных биосовместимых материалов различного состава.
Материал/ уд. провод.
4 мас.% КМЦ (суспензия)
4 мас.% КМЦ (высушен)
4 мас.% КМЦ + 5 мас.% сажи К-354 (высушен)
4 мас.% КМЦ + 0,5 мас.% МУНТ (суспензия)
4 мас.% КМЦ + 5 мас.% МУНТ (высушен)
а, См/м
1
0,1
0,1
10
5000
Таким образом, в предложенном изобретении при подборе оптимального режима наноструктурирования лазерным облучением получен биосовместимый электропроводящий наноматериал и достигнута более высокая удельная электропроводность при низких концентрациях многостенных углеродных (~5%) нанотрубок относительно удельной электропроводности известных биосовместимых наноматериалов [1, 2, 5, 6].
Источники информации
1. Патент США 2010/0068461.
2. Патент США 2010/0023101.
3. Агеева С.А., Бобринецкий И. И., Неволин В. К., Подгаецкий В.М., Пономарева О.В., Савранский В.В., Симунин М.М., Селищев С.В. / Способ наноструктурирования объемных биосовместимых материалов // Патент RU 2347740. (прототип).
4. Ngo Q., Cassell A.М., Austin A.J., and et al. / Characteristics of aligned carbon nanofibers for Interconnect Via applications. // IEEE. Elec. Dev. Lett., 2006, v.27(4), pp.221-224.
5. Ostiguy C., Lapointe G., Trottier М., Menard L., Cloutier Y., Boutin М., Antoun М., Normand Ch. / Health effects ofnanoparticles. Studies and research projects. IRSST. 2006. p.52.
6. Allsopp. M., Walters A., Santmo D. / Nanotechnologies and nanomaterials in electrical and electronic goods: A review of uses and health concerns // 2007. Greenpeace research laboratories. December. 22 p.