Способ наноструктурирования объемных биосовместимых материалов
Владельцы патента RU 2347740:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный институт электронной техники (технический университет) (RU)
Изобретение относится к области лазерной техники, используемой в нанотехнологических целях, а именно к способам наноструктурирования объемных биосовместимых наноматериалов под действием лазерного облучения. Целью изобретения является наноструктурирование объемного биосовместимого наноматериала под действием лазерного облучения. Указанная цель достигается путем лазерного облучения коллоидного водно-белкового раствора углеродных нанотрубок вплоть до испарения жидкостной составляющей раствора. Заявленный способ позволяет широко варьировать свойства получаемого материала и обеспечивает биологическую чистоту продукта за счет дистанционности воздействия. 3 ил.
Изобретение относится к области лазерной техники, используемой в нанотехнологических целях, а именно к способам наноструктурирования объемных биосовместимых наноматериалов под действием лазерного облучения.
Одна из важных задач современной нанотехнологии состоит в создании искусственных хирургических имплантатов человеческих органов. Обычно применяемые в этих целях эндо- и экзопротезы остродефицитны и дорогостоящи; металлические имплантаты должны быть заменяемы после непродолжительной эксплуатации операционным путем, что вызывает болезненные ощущения и дискомфорт пациентов; пластиковые имплантаты недостаточно прочны и недолговечны.
Вместе с тем существует принципиальная возможность решения этих проблем при использовании имплантатов из заполняющих наноматериалов, в частности, из композиций на основе углеродных нанотрубок. Как следует из данных [1, 2], на углеродных нанотрубках могут расти и развиваться нервные и костные клетки. Это открывает пути самосборки биологических тканей на высокопрочном нанотрубочном каркасе.
Известны двумерные нанотрубочные конструкции, выполняемые на ориентирующих кварцевых и т.п. подложках [3]. Однако обязательным условием использования наноматериалов для заполнения имплантатов является их изготовление в виде объемных композиций.
Известен способ применения лазерного облучения для формирования выпуклых структур на поверхности полимерных материалов (эффект лазерного свеллинга) [4]. Однако в этом случае возникают только поверхностные наноструктуры, высотой до 0,1 мкм при диаметре около 0,2 мкм, а материал не является биосовместимым.
Наиболее близко к предлагаемому изобретению относится способ применения облучения ультрафиолетовым эксимерным лазером для получения нановыпуклых лучевых структур на различных материалах. Такие структуры предназначены, в частности, для создания нейрохирургических микроимплантатов в целях стимуляции нервных тканей [5]. Однако и в этом случае речь идет только о поверхностных наноструктурах высотой не более 0,08 мкм.
Задача настоящего изобретения состоит в наноструктурировании объемного биосовместимого наноматериала под действием лазерного облучения.
Способ наноструктурирования объемных биосовместимых материалов включает лазерное облучение коллоидного водно-белкового раствора углеродных нанотрубок вплоть до испарения жидкостной составляющей раствора.
Сущность изобретения состоит в том, что тепловое действие лазерного излучения позволяет испарить жидкостную компоненту раствора и получить после испарения жидкости однородный композиционный наноматериал черного цвета, представляющий собой упорядоченную структуру сростков УНТ в модифицированном альбумине.
На фиг.1 приведена фотография стеклянного сосуда с наноматериалом, полученным после испарения жидкостной компоненты коллоидного водно-белкового раствора углеродных нанотрубок.
На фиг.2 приведены данные измерений характеристик пленки наноматериала на кремниевой подложке, полученные с помощью сканирующего зондового микроскопа. На фиг.2а показана диаграмма тока фотодиода, принимающего сигнал от кантилевера, который колеблется над сканируемой поверхностью. Фиг.2б демонстрирует характер топографии объекта при аналогичном сканировании кантилевера, светлые области представляли собой возвышенности, темные области - углубления.
Как видно из фиг.2в, наноматериал представляет собой объемную квазипериодическую композицию круглых или торообразных глобул, диаметр которых равнялся 200-500 нм, а видимая высота 30-40 нм. Анализ диаграмм тока фотодиода указывает на электрическую заряженность материала глобул, которые представляют собой свернутые в клубок УНТ, а разделяющий их слой - модифицированный альбумин.
На фиг.3 показан способ лазерного облучения коллоидного водно-белкового раствора углеродных нанотрубок. Фиг.3а демонстрирует расположение сосуда с раствором относительно источника излучения - диодного лазера с оптоволоконным выводом (λ=0,97 мкм, N≤10 Вт), снабженного световым целеуказателем. На фиг.Зб показан вид сосуда с раствором, освеченного целеуказателем (зеленое излучение).
Важным преимуществом лазерного наноструктурирования является дистанционность действия, что позволяет устранить вносимые загрязнения и обеспечить биологическую чистоту получаемого нанопродукта.
Состав композита, состоящий из биосовместимых компонент, обеспечивает и биосовместимость получаемого продукта, который может быть использован в качестве заполняющего материала хирургических имплантатов.
Достоинством наноматериала, получаемого после испарения жидкостной компоненты составляющего раствора, является также возможность варьирования консистенции наноматериала от стекло- до пастообразной в зависимости от интенсивности и длительности лазерного облучения. Стеклообразный наноматериал удобен для непосредственного применения в составе хирургического имплантата. Пастообразный наноматериал удобен для его нанесения на оперируемую поверхность биологической ткани при последующей лазерной сварке его с тканью.
Одной из перспективных областей применения пастообразного наноматериала является лечение врожденных пороков развития (ВПР) человека. Одним из наиболее распространенных видов ВПР являются пороки челюстно-лицевой области, из них 90% приходится на врожденные расщелины верхней губы и/или неба. Проблема лечения ВПР особо остро существует на фоне тенденций, с одной стороны, к снижению общей рождаемости и, с другой стороны, к росту числа детей с ВПР, которое составляет 1-12% всех новорожденных.
Практическая применимость предлагаемого способа наноструктурирования объемного биосовместимого наноматериала иллюстрируется указанными ниже стадиями его изготовления и данными исследования наноструктуры материала.
1. Стадия 1. В дистиллированной воде растворяют альбумин в концентрации от 10 до 50% и далее раствор диспергируют в ультразвуковой бане при температуре 40-50°С до получения однородного коллоидного раствора альбумина, обычно в течение 1-2 часов.
2. Стадия 2. В раствор со стадии 1 вводят углеродные нанотрубки в концентрации 1-5 г/л и далее раствор помещают в ультразвуковую баню и диспергируют в течение 3-5 час до получения однородного коллоидного водно-белкового раствора углеродных нанотрубок черного цвета.
3. Стадия 3. Раствор со стадии 2 заливают в стеклянный сосуд и облучают лазерным излучением в течение 10-30 мин до полного испарения жидкостной компоненты раствора и получения однородного композиционного наноматериала черного цвета.
Источники информации
1. US Patent No.6.670.179.
2. Раков Э.Г. Нанотрубки и фуллерены. // М.: Университетская книга, Логос, 2006
3. L.Р.Zanello, B.Zhao, Н.Hu, R.С.Haddon. - Nano Letters, 2006, v.6, р.562.
4. А.Ю.Малышев, Н.М.Битюрин. - Изв. ВУЗОВ. Приборостроение, 2006, т.49, №9, с.9.
5. US Patent No.6.853.075.
Способ наноструктурирования объемного материала, характеризующийся тем, что проводят лазерное облучение коллоидного водного раствора альбумина, содержащего углеродные нанотрубки, вплоть до испарения жидкостной составляющей раствора.
