ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК В БИОМЕДИЦИНСКИХ ПРИЛОЖЕНИЯХ

ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ
НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК В
БИОМЕДИЦИНСКИХ ПРИЛОЖЕНИЯХ
Е.А. Бубнова, С.С. Корнилов
Национальный исследовательский университет МИЭТ, Москва
E-mail: [email protected]
Композиционные материалы на основе углеродных нанотрубок
(УНТ, однослойные ОУНТ, многослойные МУНТ) представляют
значительный интерес для различных применений, в частности в
биомедицине.
Физические свойства углеродных нанотрубок, такие как
механическая прочность, электрическая проводимость, а также оптические
свойства могут иметь большое значение для создания современных
продвинутых биоматериалов.
В настоящее время изготавливаются различные композитные наноматериалы на основе УНТ, в которых матрицей служат полимеры, а
наполнителем углеродные нанотрубки различных типов. Полимерные матрицы, армированные УНТ, могут быть использованы в качестве структурного материала в кожной инженерии или для стимуляции роста костной
ткани [1], а имплантат на основе натурного белка альбумина и УНТ [2]
может быть востребован в челюстно-лицевой хирургии, например, врожденные расщелины верхней губы или неба.
Также можно получить гибкий проводящий материал из
биосовместимой
матрицы,
карбоксиметилцеллюлозы
(КМЦ)
и
наполнителя МУНТ [3], путем нанесения на мягкие подложки, такие как:
фольга алюминия, пластины полиэстера и полиимида, хлопчатобумажная
ткань (ХБТ), офисная бумага (ОБ) методом шелкографии. Для слоев в
интервале толщин 0.5...5 мкм удельная проводимость составила
~1,2·104...4·104 См/м (Таблица 1). Причем, при изгибе образцов на 180
(радиус изгиба 1 мм) и циклом 1000 раз на подложках ОБ и ХБТ
проводимость изменялась не более чем на  20% относительно исходных
значений.
Таблица 1 – Сравнительные параметры слоев на мягких подложках
Образцы
Дисперсия
1
4 мас.% КМЦ+5 мас.
% МУНТ
2
3
4
4 мас.% КМЦ+5 мас.
% сажа К-354
Подложка
Офисная
бумага
Полиэстер
Ситец
Офисная
бумага
Толщина, мкм , кСм/м
2,1
33
3,7
2,2
40
12
4,5
0,0001
Подобные структуры, обладая хорошей проводимостью, могут найти
свое применение в биомедицинских приложениях требующих
электростимуляции, прохождения электрического тока или электрического
зондирования, таких как: био-электроды (датчики), в качестве биотоплива
для клеток и в качестве подложек для биороста путем электростимуляции.
Специфические области применения включают пейсмейкеры, ЭКГ
накладки, биосенсоры, электроды для стимуляции мышц, электроды для
контролирования эпилепсии и роста клеток.
Реализация передовых био-интерактивных электронных устройств
требует механически совместимых датчиков с возможностью обнаруживать чрезвычайно большое напряжение. Такое приложение в биомедицине
важно, например для терапевтики, когда необходимо контролировать движения различных частей тела. В этом случае на помощь могут прийти гибкие тензиметры (Рис. 1). Датчики на основе ОУНТ пленки и подложки из
полидиметилсилоксана обладают высокой проводимостью (~100 кСм/м),
малым весом, хорошо гнуться и при этом плотно прилегают к телу человека [4]. Конструкция смогла выдержать деформацию вплоть до 280%. Полученный датчик продемонстрировал высокую долговечность (выдержав
10000 измерений при деформации 150%).
Рисунок 1 – Гибкие приборы, предназначенные для непосредственного
ношения человеком. Слева – тензодатчики, прикрепленные к информационной перчатке. Справа – тензодатчик, прикрепленный к горлу
Датчики, способные непосредственно преобразовывать электрическую энергию в механическую и при приложении электрического напряжения - изгибаться (деформироваться) называют искусственной мышцей
или приводом. Привод на основе ОУНТ может быть получен, поместив
наполовину высушенный слой электролита хитозан/ионная жидкость между слоями электродов - пленками ОУНТ, выращенными без подложек, методом горячего прессования (Рис.2).
Средняя сила такого привода составляет 50 МПа, время реагирования
19 мс, а так же структура имеет широкий доступный диапазон частот (от
десятков до сотен герц), невероятно большую динамическую вязкость
(1080 мПа/с), и сверхвысокую механическую удельную мощность (244
Вт/кг) [5]. Такие впечатляющие показатели вместе с простым изготовлением, низким напряжением реагирования, гибкостью и долговечностью позволяют использовать данные приводы в качестве искусственных мышц для
биомиметических летающих насекомых или роботов и гибких развертываемых (раскрывающихся) отражателей.
а
б
в
г
Рисунок 9 – а - Механизм электромеханического приведения в действие привода на
основе ОУНТ, б - соответствующие фотографии функционирующего привода, в -
принципиальная схема сборки биморфного привода, г - сверхбыстрый
электромеханический отклик привода на основе ОУНТ и амплитуда отклонения
привода с резонансным усилением около 30 Гц под действием ±4 В прямоугольного
потенциала. Желтые круги - экспериментальные данные, красная линия соответствует линии
данных резонансной зоны, голубая сплошная линия представляет собой резонансный пик
показывающий Лоренцевскую форму линии с фактором добротности Q = 8.8
Область медицинских применений углеродных наноматериалов
расширяется с каждым днем. Тем не менее, вопрос о получении композитных материалов полностью совместимых с любой биологической тканью и
не обладающих токсичностью, остается нерешенным, но можно с уверенностью сказать, что углеродные нанотрубки являются перспективным материалом для биомедицинских приложений.
Библиографический список
1. Li X., Huang Y., Zheng L. Effect of substrate stiffness on the functions of rat bonemarrow
and adipose tissue derived mesenchymal stem cells in vitro // Journal of Biomedical Materials Research A. 2013, V102(4). P.1092–1101.
2. С. А. Агеева, И. И. Бобринецкий, В. К. Неволин. Объемный альбуминовый композит
на основе нанотрубок, получаемый действием непрерывного лазерного излучения //
Известия высших учебных заведений. Электроника. 2008. №5. С.33–40.
3. Ичкитидзе Л.П., Подгаецкий В.М., Приходко А.C. Электропроводный композиционный наноматериал с биосовместимой матрицей и многослойными углеродными
нанотрубками // Медицинская техника. 2013. №2. С. 24–30.
4. Takeo Y., and et al. A stretchable carbon nanotube strain sensor for human-motion detection // Nature Nanotechnology. 2011. V.6. P. 296–301.
5. Li J. and et al. Superfast-response and ultrahigh-power-density electromechanical actuators based on hierarchal carbon nanotube electrodes and chitosan // Nano Letters. 2011.
V.11. P. 4636–4641.
Сведения об авторах
Бубнова Евгения Андреевна – магистр, дата рождения: 24.11.1991г.,
тел. 8-916-853-70-65, [email protected]
Корнилов Сергей Сергеевич – магистр, дата рождения: 02.09.1992г.,
тел. 8-916-129-21-06, [email protected]
Вид доклада: (устный / стендовый)