Создан биосовместимый композит, который генерирует электричество при изменении температуры

Исследователи Лаборатории перспективных радиационных исследований и технологий и НИИ Фармакологии живых систем создали биосовместимый композит, который генерирует электричество при небольшом изменении температуры.

Учёным удалось придать инертному биосовместимому полимеру выраженные пироэлектрические свойства – способность генерировать электрический заряд при изменении температуры. Это открывает перспективы для создания материалов, преобразующих тепловые воздействия в электрический сигнал, в том числе для электростимуляции живых клеток и тканей.

Ниобат лития (LiNbO₃) известен как функциональный материал с уникальным сочетанием пиро-, пьезо- и сегнетоэлектрических свойств, а также высокой биосовместимостью. В Лаборатории радиационной физики НИУ «БелГУ» активно исследуют возможности создания компактного источника рентгена на основе объёмных монокристаллов ниобата лития и изучают поведение ансамблей таких кристаллических частиц во внешнем электрическом поле. Новая работа показала, что частицы ниобата лития способны кардинально менять электрические характеристики полимерной матрицы, в которую их внедряют.

Ключевая идея исследования – управляемое формирование структуры композита. Учёные наносили порошок ниобата лития на подложку из биоразлагаемого медицинского полимера PLGA, который сам по себе является диэлектриком и не вырабатывает электричество. Затем на образец воздействовали внешним электрическим полем, заставляя кристаллические частицывыстраиваться вдоль силовых линий. После этого подложку частично растворяли ацетоном: полимер превращался в связующее, которое фиксирует упорядоченную структуру, оставляя частицы ниобата лития скреплёнными между собой в виде тонкой плёнки. В результате получили композитный интерфейс с макроскопической поляризацией, сохраняющейся после удаления поля.

Исследователи детально изучили, как размер частиц, напряжённость поля и соотношение компонентов влияют на морфологию поверхности и электрический отклик. Оказалось, что ориентированные образцы обладают измеримым пироэлектрическим коэффициентом порядка 10⁻⁷ Кл/(м²·°C) и генерируют импульсы напряжения амплитудой от 100 до 400 мВ при относительно небольшом изменении температуры (на несколько градусов). Для сравнения, монокристалл ниобата лития при тех же условиях даёт сигнал на два порядка выше, однако сам факт возникновения устойчивого макроскопического отклика в полимерной матрице, изначально не обладающей пироэлектрическими свойствами, является принципиально важным результатом.

Как рассказал один из авторов, старший научный сотрудник Лаборатории перспективных радиационных исследований и технологий, кандидат физико-математических наук Андрей Олейник, ключевой результат исследования состоит в том, что упорядочивание частиц ниобата лития под действием внешнего электрического поля в неполярной полимерной матрице придаёт композиту измеримый макроскопический пироэлектрический отклик. Именно в этом заключается центральная концепция работы.

При этом Андрей Николаевич отметил, что генерация электрических импульсов носит импульсный и стохастический характер, а их амплитуда и длительность зависят от размера частиц и параметров температурного воздействия. Например, композиты с частицами 100–1500 мкм демонстрируют самые высокие импульсы, но их поверхность неоднородна, тогда как частицы 10–100 мкм обеспечивают более плоскую морфологию и лучший контакт с электродом.

– Работа расширяет понимание того, как взаимное расположение функциональных частиц, межфазные границы и структура полимерного композита влияют на его электрические свойства. Полученные результаты могут быть полезны для дальнейшей разработки композитных материалов, преобразующих тепловые воздействия в электрический сигнал, в том числе и для электростимуляции биологических объектов, например, живых клеток или тканей, – отметил Андрей Олейник.

Авторы также отмечают и очевидную прикладную перспективу работы – материалы, способные преобразовывать тепловые колебания в электрические сигналы, востребованы в биомедицинской инженерии. Например, для мягкой электростимуляции клеток и тканей, стимуляции регенерации или создания сенсоров. PLGA выбран не случайно: это биосовместимый и биоразлагаемый полимер, широко применяемый в тканевой инженерии и системах доставки лекарств.

Использовать PLGA в качестве пробной полимерной матрицы предложил руководитель Научно-исследовательской лаборатории «Клеточные, вспомогательные репродуктивные и ДНК технологии» НИУ «БелГУ», канд. биол. наук Сергей Надеждин. Сейчас совместная работа двух лабораторий вышла на новый этап: учёные изучают как поведение частиц ниобата лития в различных материалах, так и их взаимодействие с биологическими объектами.

Изучаются реакции мезенхимных стволовых клеток. Эти реакции носят преимущественно регуляторный и стимулирующий характер: активируются механизмы пролиферации и дифференцировки, меняется концентрация внутриклеточного кальция и активность митохондрий. Все эти процессы свидетельствуют о том, что частицы ниобата лития могут запускать процессы регенерации как на клеточном, так и на тканевом уровнях организации, – рассказал Сергей Викторович.

Дальнейшие планы исследователи связывают с практическим применением полученных результатов – в регенеративной медицине, тканевой инженерии и сенсорике.

Электронно-микроскопические исследования проведены с использованием оборудования Объединённого центра коллективного пользования «Технологии и материалы» НИУ «БелГУ».

Подробности этого этапа исследований опубликованы в журнале Journal of Colloid and Interface Science.

Изображения: НИУ «БелГУ»

Источник: Минобрнауки России