По данным Минздрава России в мире каждый год проводится от 3,5 до четырех миллионов операций с использованием материалов для восстановления костей. Это второе по популярности направление после переливания крови, которое встречается в 10 раз чаще, чем пересадка других органов. В таких имплантатах используют особые наноматериалы, похожие на «губки» с мелкими дырочками. Благодаря порам они имеют огромную поверхность и уникальные свойства, которые делают их незаменимыми не только в медицине, но и экологии и химии — они отлично фильтруют воду, ускоряют химические реакции в промышленности и даже применяются для создания сверхлегких и прочных материалов. Существующая методика создания таких наноматериалов требует больших затрат, времени и электроэнергии. Ученые Пермского Политеха нашли более быстрый и дешевый способ изготовления этих структур, который не требует дополнительных реагентов и примесей.
Новый метод ПНИПУ удешевит производство материалов для костных имплантатов / © Cara Shelton, Unsplash
Статья опубликована в материалах тезисов XV Конференции молодых ученых по общей и неорганической химии. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».
Нанопористые материалы отличаются от обычных тем, что в них много мелких «дырочек». За счет этого они могут впитывать вещества и ускорять химические реакции. Размер пор можно настроить так, чтобы они задерживали конкретные молекулы — например, очищали воду от тяжелых металлов. При этом структура остается легкой и прочной. Один из таких наноматериалов — фосфат магния, который похож по составу на человеческую кость.
– Обычно фосфат магния — это белый порошок, который используют в медицине для костных цементов и покрытий имплантатов. Но если сделать из него наноматериал, можно получить для костных имплантов идеальный каркас. Он повторяет естественную структуру тела, помогает тканям быстрее заживать (клетки прорастают через поры) и со временем заменяется натуральной костью. Если обычный фосфат — это просто «кирпич», то его нановерсия — «умный конструктор», который подстраивается под организм, – комментирует Евгения Гладких, студентка кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ.
Чтобы сделать из обычного фосфата магния наноматериал, то есть создать внутри него пористую структуру, традиционно используют метод «bottomup» или «снизу вверх». Он заключается в том, что к сурфактанту (поверхностно активное вещество) добавляют фосфат магния.
– Сурфактанты создают оболочку вокруг растущих наночастиц, отталкивая их друг от друга и не давая слиться. Они выступают как «шаблоны», вокруг которых и формируются поры. После синтеза сурфактанты удаляют с растворителями или испаряют, оставляя только нанопористую структуру, – рассказывает Юлия Кузнецова, доцент кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ, кандидат технических наук.
Все эти процессы отнимают время и лишнюю электроэнергию, которая тратится на удаление сурфактантов. Кроме того, они могут быть токсичными, а поры — получиться неоднородными. Это влияет на сорбционную емкость материала, то есть он станет более плохим сорбентом или носителем в биомедицине. Ученые Пермского Политеха предложили другой способ, который позволит сэкономить ресурсы при получении таких структур.
– Для создания наноматериала из фосфата магния мы использовали метод «top-down» (сверху вниз). Это процесс, в ходе которого вещество приобретает пористую структуру после нагрева. Для образования наноматериала из кристаллов фосфата магния мы подобрали оптимальную температуру и время нагревания: при 90°C в течение двух часов 40 минут. Это позволило воде, находящейся в составе фосфата магния, испариться и оставить после себя поры 5-10 нанометров. В результате без дорогих и токсичных добавок удалось получить материал с большой площадью поверхности, которая выросла до сотен м²/г. Большая поверхность материала важна для его хороших сорбционных свойств и каталитических свойств, – комментирует Ирина Пермякова, доцент кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ, кандидат технических наук.
Технология «top-down» почти не изучена, но превосходит «bottom-up» тем, что не требует дополнительных реагентов и многоступенчатых процессов. Благодаря этой методике размер пор можно регулировать, меняя состав исходного материала.
Исследование ученых Пермского Политеха не только доказывает возможность применения этой методики для экономичного создания наноматериалов, но и поможет удешевить системы очистки промышленных стоков, производство медицинских имплантов и создание эффективных катализаторов. Метод в дальнейшем также планируют испытать на других соединениях.
