Сотрудники центра Биомедицинской инженерии Университета МИСИС провели серию экспериментов, чтобы определить, каким способом лучше производить полимерный материал с эффектом памяти формы (ЭПФ). По результатам исследований, полимер, полученный методом экструзии (вытягивания), быстрее возвращается к исходному виду, чем образец, произведенный литьём из раствора. Подобные материалы оптимальны для создания стентов для сосудов, самоустанавливающихся и самофиксирующихся костных имплантатов, а также адаптивных медицинских изделий (зажимы, скобы, клипсы и др.).
«В отличие от металлических сплавов с эффектом памяти формы, полимеры с ЭПФ обладают рядом преимуществ: они дешевле, способны к биорезорбции, имеют значительно больший процент деформации, и реагируют на разнообразные стимулы, их свойствами легче управлять», — сказала Полина Ковалёва, инженер центра Биомедицинской инженерии Университета МИСИС.
Эффект памяти формы в полимерах обусловлен их уникальной надмолекулярной структурой. Молекулярные цепи полимера с ЭПФ содержат мягкие и жесткие сегменты. При комнатной температуре все части молекулярной цепи находятся в стеклообразном состоянии, что позволяет сохранить первоначальную форму и фиксировать временную. При нагревании выше определенной температуры мягкие сегменты переходят в вязкотекучее состояние, что позволяет легко деформировать материал в любую другую форму. После охлаждения и снятия нагрузки мягкие сегменты возвращаются в стеклообразное состояние и сохраняют энергию деформации, позволяя зафиксировать временную форму; при повторном нагревании мягкие сегменты высвобождают запасенную энергию, и зафиксированная временная форма восстанавливается до первоначальной.
При рассмотрении нескольких способов формирования полимерных материалов с различной надмолекулярной структурой и кристалличностью, учёные определили, что экструзия способствует образованию аморфной структуры, так как при такой скорости охлаждения кристаллические области не успевают образоваться. Метод литья из раствора, наоборот, предполагает медленное выпаривание растворителя и контакт с подложкой, что способствует образованию кристаллической структуры.
«Лучший результат по восстановлению первоначальной формы продемонстрировал материал на основе полилактида с преобладающей аморфной структурой, в то время как полукристаллический образец теряет свою способность фиксировать и восстанавливать форму, — отметила соавтор исследования Анна Зимина, инженер центра Биомедицинской инженерии Университета МИСИС.
Дальнейшее изучение специалисты посвятят поиску оптимальных дисперсных наполнителей, добавление которых в состав полимера, позволит улучшить процесс и степень возвращения материала к первоначальной форме, а также даст возможности для удаленной активации эффекта.
Алевтина Черникова, ректор НИТУ МИСИС: «Ученые Университета МИСИС на протяжении ряда лет ведут разработки в области тканевой инженерии, биофизики, биопечати, новых технологий и материалов для медицины. В рамках программы «Приоритет 2030» в вузе реализуется стратегический проект «Биомедицинские материалы и биоинженерия», сформирован консорциум «Инженерия здоровья», в составе которого – ведущие университеты, научно-исследовательские центры, инновационные предприятия. В сентябре 2023 года в НИТУ МИСИС создан Институт биомедицинской инженерии, одна из основных задач которого – разработка и коммерциализация новых продуктов, способных значительно улучшить качество жизни людей».
Исследование выполнено при финансовой поддержке РНФ (№ 21-73-205). Исследование надмолекулярной структуры выполнено в центре коллективного пользования «Визуализация высокого разрешения» Сколтеха; сканирующая зондовая микроскопия проведена на оборудовании научно-исследовательского ЦКП «Материаловедение и металлургия» НИТУ МИСИС при финансовой поддержке Минобрнауки России (соглашение № 075-15-2021-696).