Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета разработали технологию, которая позволяет снизить стоимость производства нанопористых материалов для костных имплантатов.
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», — отметила студентка кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ Евгения Гладких.
Чтобы сделать из обычного фосфата магния наноматериал, то есть создать внутри него пористую структуру, традиционно используют метод bottom-up, 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», — рассказала доцент кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ Юлия Кузнецова.
Все эти процессы отнимают время и электроэнергию, которая тратится на удаление сурфактантов. Кроме того, сурфактанты бывают токсичными, а поры могут получиться неоднородными. Это влияет на сорбционную емкость материала, т.е. 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 2 ч 40 мин. Это позволило воде, находящейся в составе фосфата магния, испариться и оставить после себя поры 5–10 нм (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», — прокомментировала доцент кафедры «Химия и биотехнология» ПНИПУ Ирина Пермякова.
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.
Исследование выполнено в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (национальный проект «Молодежь и дети»).
