Изучение физических механизмов влияния гидротермально осажденного ZnO покрытия на пьезо-электрические характеристики биодергадирумых полимерных скэффолдов на основе полигидро-ксибутирата
В ходе работы были получены скэффолды из полигидроксибутирата методом электроформования. Проведено успешное осаждение покрытия оксида цинка на поверхность скэффолдов путем проведения гидротермальной реакции. Сформированное покрытие обладает гексагональной вюрцитной кристаллической структурой. Осажденное покрытие оксида цинка позволило увеличить пьезоэлектрическую d33 константу с 2,9±0,1 до 13,7±1,6 пКл/Н, а генерируемое образцами напряжение с 0,58±0,02 до 0,88±0,04 В.
Введение ………………………………………………………………………………………………….. 15
1 Способы получения и свойства волокнистых ПГБ скэффолдов на основе ПГБ с
покрытием оксида цинка …………………………………………………………………………… 18
1.1 Способы получения полимерных скэффолдов …………………………………….. 18
1.2 Свойства и получение ПГБ полимера и скэффолдов на его основе ……….. 21
1.3 Физические и биологические свойства оксида цинка …………………………… 25
2 Методы исследования свойств скэффолдов ……………………………………………… 27
2.1 Сканирующая электронная микроскопия ……………………………………………. 27
2.2 Просвечивающая электронная микроскопия ……………………………………….. 29
2.3 Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия ………………………………….. 31
2.4 Рентгеноструктурный анализ …………………………………………………………….. 33
2.5 Смачиваемость поверхности ……………………………………………………………… 34
3 Результаты и обсуждения ……………………………………………………………………….. 36
3.1 Материалы, получение и модифицирование ПГБ скэффолдов ……………… 36
3.2 Методы исследования ……………………………………………………………………….. 37
3.3 Результаты и обсуждения ………………………………………………………………….. 40
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение…. 53
4.1 Предпроектный анализ ……………………………………………………………………… 53
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования …………………. 53
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения ………………………………………… 54
4.2 Диаграмма Исикавы ……………………………………………………………………….. 56
4.3 SWOT-анализ ……………………………………………………………………………………. 58
4.4 Инициация проекта …………………………………………………………………………… 60
4.4.1 Организационная структура проекта …………………………………………….. 61
4.4.2 Ограничения и допущения проекта. ………………………………………………. 62
4.5 План проекта ……………………………………………………………………………………. 63
4.6 Разработка графика проведения НИОКР …………………………………………….. 64
4.7 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) …………………………….. 65
4.7.1 Сырье, материалы, покупные изделия и полуфабрикаты (за вычетом
отходов) ……………………………………………………………………………………………… 66
4.7.2 Специальное оборудование для научных (экспериментальных) работ 67
4.8 Основная заработная плата исполнителей темы ………………………………….. 68
4.8.1 Дополнительная заработная плата научно-производственного
персонала ……………………………………………………………………………………………. 69
4.9 Отчисления во внебюджетные фонды ………………………………………………… 70
4.10 Накладные расходы …………………………………………………………………………. 71
4.11 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта ….. 71
4.12 Реестр рисков проекта ……………………………………………………………………… 72
4.13 Оценка сравнительной эффективности исследования ………………………… 73
5 Социальная ответственность …………………………………………………………………… 76
Введение ……………………………………………………………………………………………….. 76
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ………. 76
5.1.1 Специальные (характерные для рабочей зоны исследователя) правовые
нормы трудового законодательства ………………………………………………………. 76
5.1.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны
исследователя ……………………………………………………………………………………… 78
5.2 Профессиональная социальная безопасность ………………………………………. 80
5.2.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов ……………….. 80
5.2.2 Обоснование мероприятий по защите исследователя от действия
опасных и вредных факторов ……………………………………………………………….. 81
5.3 Химическая безопасность ………………………………………………………………….. 83
5.4 Электробезопасность ………………………………………………………………………… 85
5.5 Пожарная и взрывная безопасность ……………………………………………………. 88
Выводы по разделу…………………………………………………………………………………. 90
Заключение ………………………………………………………………………………………………. 92
Список публикаций …………………………………………………………………………………… 94
Список использованных источников ………………………………………………………….. 95
Приложение А ………………………………………………………………………………………… 103
Восстановление поврежденных тканей является важной областью
применения волокнистых полимерных материалов, полученных методом
электроформования, называемых скэффолдом. Высокая пористость и
волокнистая структура скэффолдов способствует адгезии и пролиферации
клеток [1, 2]. Множество исследований показывают успешное применение
скэффолдов на основе биодеградируемых [3, 4]. Биодеградируемые полимеры
являются перспективным материалом за счет возможности их применения в
таких областях как регенеративная медицина, выращивание тканей и
контролируемая доставка лекарств [5].
В последнее время начали активно исследоваться пьезоэлектрические
свойства полимеров для применения в области биомедицины [6]. Было
выявлено, что заряженная поверхность, которая образуется при деформации
пьезоэлектрического материала, положительно влияет на такие свойства клеток
как адгезию, рост и морфологию [7]. По сравнению с пьезоэлектрической
керамикой, которая обладает высокими пьезоэлектрическими константами,
пьезоэлектрические полимеры являются гибкими материалами, а некоторые из
них являются биодеградируемыми, что является существенным преимуществом
для потенциального их применения в области биомедицины.
Поли(3-гидроксибутират) (ПГБ) является наиболее распространенным
синтетическим полимером за счет своей биосовместимости, способности к
биодеградации и отсутствию цитотоксичности метаболических продуктов [8].
Кроме того, за счет асимметричности кристаллической решетки, ПГБ обладает
пьезоэлектрическими свойствами [9]. Уже существуют работы, в которых
говорится о успешном применении пьезоэлектрических ПГБ скэффолдов для
восстановления костной, кожной и нервной тканей [1, 10, 11]. Однако ПГБ
обладает низкими пьезоэлектрическими константами (1,6-2 пКл/Н) по
сравнению с такими пьезоэлектрическими материалами как
поливинилиденфторид и его сополимеры или пьезокермика [12, 13]. Помимо этого, скэффолды на основе ПГБ обладают гидрофобной поверхностью, которая
значительно снижает адгезию, пролиферацию и рост клеток [14]. Таким образом,
для улучшения свойств ПГБ скэффолдов необходимо увеличение их
пьезоэлектрических свойств и улучшение смачиваемости.
Оксид цинка (ZnO) широко известен как биосовместимая,
биодеградируемая керамика, обладающая антибактериальными свойствами и
используемая в медицине [15-17]. Последние исследования показали, что ZnO не
оказывает никакого воздействие на ДНК человеческих клеток [17]. ZnO может
обладать гидрофильными свойствами, что в свою очередь позволит улучшить
смачиваемость ПГБ скэффолдов [18]. Все вышеперечисленные свойства ZnO
важны с точки зрения его применения в биомедицинской области и делают ZnO
хорошим кандидатом для модифицирования скэффолдов. Кроме того, ZnO
является пьезоэлектрическим материалом, значения пьезоэлектрической (d33)
константы которого могут достигать 26,7 пКл/Н [19, 20] и добавление ZnO в
состав полимера увеличивает пьезоэлектрические свойства полученных
гибридных материалов [21]. Таким образом, использование ZnO для
модифицирования ПГБ скэффолдов позволит сохранить или даже улучшить
пьезоэлектрические свойства материала по сравнению с другими способами
модификации поверхности (кальций-фосфатами, металлическими частицами
или плазменное травление) [22].
Для модифицирования ПГБ скэффолдов предлагается использовать
осаждение ZnO покрытия гидротермальным методом. Так как осаждение
покрытия в данном методе происходит из раствора, то использование такого
способа осаждения позволит сформировать покрытие на всей поверхности
пористого ПГБ скэффолда [23] в отличие от других методов осаждения, таких,
как, например, осаждение из паровой фазы, при котором покрытие осаждается
только на внешнюю поверхность ПГБ скэффолда [24]. Кроме того,
гидротермальное осаждение ZnO может быть проведено при таких параметрах,
которые не разрушают и не повреждают полимер [25]. Другой возможностью
соединения полимерного скэффолда и ZnO является добавление частиц ZnO в раствор полимера перед электроформованием скэффолда [16]. Однако в таком
случае частицы ZnO находятся в основном внутри полимера и не оказывают
значительного влияния на свойства поверхности скэффолда.
Таким образом, цель данной работы заключается в исследовании влияния
покрытия оксида цинка, полученного гидротермальным методом, на структуру,
пьезоэлектрические свойства и смачиваемость полимерных скэффолдов на
основе ПГБ.
В задачи работы входило:
1. получить полимерные скэффолды на основе ПГБ методом
электроформования;
2. модифицировать ПГБ скэффолды путем гидротермального осаждения
покрытия оксида цинка;
3. исследовать морфологию, химический состав, смачиваемость и
пьезоэлектрические свойства модифицированных ПГБ скэффолдов.
В ходе работы были получены полимерные скэффолды на основе ПГБ
методом электроформования. Проведено модифицирование полученных ПГБ
скэффолдов путем осаждения ZnO покрытия гидротермальным методом при 2 и
10 М концентрации прекурсора и при температурах 100, 110 и 120 °С.
Проведенные исследования показали, что полученные ПГБ скэффолды
обладают пористой, волокнистой структурой с средним диаметров волокон
4,1±1,1 мкм. После проведения гидротермальной реакции на поверхности
волокон образуется ZnO покрытие, обладающее вюрцитной кристаллической
структурой с гексагональной решеткой. Полученное покрытие состоит из частиц
различной формы, среди которых присутствуют кристаллиты в форме
нановолокон, квазиравноосные пленки глобулярной формы, объемные
кристаллиты глобулярной формы, объемные кристаллиты, имеющие огранку, а
также протяженные пленки осколочной формы. Результаты
микрорентгеноспектрального анализа показали, что увеличение концентрации
прекурсора и температуры гидротермальной реакции приводит к увеличению
концентрации цинка в покрытии с 36 до 58 ат%, что говорит о увеличении
количества кристаллитов в форме нановолокон, обладающих высокими
пьезоэлектрическими характеристиками.
Осажденное ZnO покрытие позволило увеличить пьезоэлектрическую d33
константу ПГБ скэффолда с 2,9±0,1 до 13,7±1,6 пКл/Н, а генерируемое
образцами напряжение с 0,58±0,02 до 0,88±0,04 В. Увеличение концентрации
прекурсора с 2 до 10 М привело к значительному увеличению
пьезоэлектрической константы с 2,8±0,2 до 10,7±1,3 пКл/Н, в то время как
увеличение температуры с 100 до 120 °С привело лишь к незначительному
увеличению пьезоэлекрической константы с 10,7±1,3 до 13,7±1,6 пКл/Н.
Исследование смачиваемости показали, что чистый ПГБ скэффолд
обладает КУ смачивания 115,5°±2,7°, ПГБ скэффолд с ZnO покрытием
осажденным при 2 М и 100 °С обладает начальным КУ смачивания равным
96,7°±4,7°, кроме того, в случае ПГБ скэффолда с ZnO покрытием наблюдалось
постепенное впитывание капли жидкости внутрь скэффолда и спустя 3 минуты
после осаждения жидкости на поверхность она полностью впитывалась в
скэффолд. При измерении КУ смачиваемости на образцах ПГБ скэффолдов с
ZnO покрытиями, осажденными при 10 М концентрации прекурсора, капля
жидкости впитывалась меньше, чем за одну секунду, что не позволило
определить начальный КУ смачивания, однако, данный эффект свидетельствует
о формировании поверхности с значительно улучшенными гидрофильными
свойствами по сравнению с поверхностью чистого ПГБ скэффолда и ПГБ
скэффолда с ZnO покрытием осажденным при 2 М и 100 °С.
Список публикаций
1. Zviagin A.S., Chernozem R.V., Surmeneva M.A., Pyeon M., Frank M., Ludwig T.,
Tutacz P., Ivanov Y.F., Mathur S., Surmenev R.A. Enhanced piezoelectric
response of hybrid biodegradable 3D poly (3-hydroxybutyrate) scaffolds coated
with hydrothermally deposited ZnO for biomedical applications // European
Polymer Journal. – 2019. ‒ T. 117. ‒ C. 272-279.
2. Звягин А.С., Чернозем Р.В., Сурменева М.А., Сурменев Р.А. Влияние
кальций-фосфатного покрытия на смачиваемость гибридных полимерных
скэффолдов // Физика твёрдого тела – 2018: сборник материалов XVI
Российской научной студенческой конференции, Томск, 17-20 Апреля 2018.
– Томск: НТЛ, 2018 – C. 43-45.
3. Syromotina D.S., Zviagin A., Surmenev R.A., Surmeneva M.A., Oehr C. Plasma
modification of 3-D biodegradable scaffolds to improve surface wettability //
Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE-2016): International Congress,
October 2–7, 2016, Tomsk, Russia. – Tomsk, 2016. – 2016. – С. 295.
4. Звягин А.С., Городжа С.Н., Сыромотина Д.С. Исследование 3-Д скэффолдов
на основе ПГБ-ГВ полимера с частицами Si-ГА // Перспективы развития
фундаментальных наук: сборник трудов XII Международной конференции
студентов, аспирантов и молодых ученых, Томск, 26-29 Апреля 2016. –
Томск: ТПУ, 2016 – C. 106-108.
5. Звягин А.С., Городжа С.Н., Сыромотина Д.С. Исследование структуры,
смачиваемости и цитотоксического воздействия 3-Д матриксов на основе
полимера ПКЛ с частицами ГА, Si-ГА, Sr-ГА // Высокие технологии в
современной науке и технике: сборник научных трудов V Международной
научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов,
Томск, 5-7 Декабря 2016. – Томск: ТПУ, 2016 – C. 92-93.
Последние выполненные заказы
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.6 (30 отзывов)
4.1 (20 отзывов)
5 (8 отзывов)
4.8 (9 отзывов)
5 (18 отзывов)
5 (154 отзыва)
4.8 (211 отзывов)
4.8 (40 отзывов)
4.8 (105 отзывов)
