Получение нанокомпозитов
Наночастицы в матрицах: цеолиты, стекло, силикагель, полимеры
Краткий обзор классических матриц для нанокомпозитов.
Классические каталитические носители — высокодисперсные SiO2 и Al2O3
Особенности высокодисперсных оксидов.
Наночастицы в немагнитных металлах, не образующих сплавов с соответствующими магнитными металлами
Композиты металл-металл, не образующих сплавы.
Дисперсный углерод
Углерод как матрица для наночастиц, возможности совместного напыления.
Органические полимерные матрицы
Магнитные наночастицы. Стабилизация наночастиц в полимерных матрицах была исторически первым методом создания магнитных наноматериалов. Это один из самых перспективных подходов для создания «органических» магнитов.
Нанотрубки в полимерной матрице. Основные проблемы создания нанокомпозитов на основе нанотрубок: слипание нанотрубок, плохая дисперсия и распределение их в растворе и матрице. Решение проблем: применение ультразвука, «хороших растворителей» (сильных оснований Льюиса), функционализация нанотрубок.
Послойные композиты. Получение заменой неорганического катиона на органический и последующей полимеризации.
Особенности различных полимерных матриц: полиамиды, полиимиды, полиэтилен и полипропилен, полиметилметакрилат, эпоксидные и полиуретановые, полиэлектролиты, резины.
Способы получения нанокомпозитов с полимерными матрицами: прямое смешивание, смешивание в растворе, полимеризация in-situ, получение наночастиц in-situ (керамика/полимер и метал/полимер).
Ионобменные смолы
Одним из широко распространённых методов получения наночастиц является использование возможностей ионообменных смол поглощать значительные количества ионов металлов внутрь своей высокоразвитой поверхности. Дальнейшее восстановление или реже окисление приводят к образованию внутри матрицы наночастиц нужного состава.
Растворимые полимеры
Если проводить любым из перечисленных выше методов распад МСС в растворе, содержащем полимер, то образующиеся зародыши новой фазы, достигнув размеров нескольких нанометров, встраиваются в полимерную матрицу за счет высокой поверхностной энергии; при наличии в полимере способных к координации гетероатомов или функциональных групп, процесс встраивания идет более интенсивно. Так, золь наночастиц g-Fe2O3 легко встраивается в поливиниловый спирт, образуя дисперсию с средним размером частиц 6,4 нм.
Карбоцепные полимеры
Возможность использования полимеров, не содержащих функциональных групп и гетероатомов в качестве матриц для магнитных наночастиц кажется весьма заманчивой; такие полимеры как полиэтилен и полипропилен являются хорошими диэлектриками, стабильны, дёшевы, легко перерабатываются в изделия любой формы. Преимущества магнитных материалов на их основе состоят, прежде всего, в их малом удельном весе, высокой гомогенности распределения наночастиц и, что самое главное, изолированности наночастиц друг от друга на расстояниях, существенно превышающих их размеры.
Полимеры без гетероатомов и функциональных групп.
Полимеры, содержащие гетероатомы.
Блок-сополимеры.
Модификация поверхности
Модификация поверхности — путь к биосовместимости.
Модификация нанотрубок. Причины: лучшее дисперсия и распределяемость, увеличение взаимодействия с матрицей.
Покрытие полимерами. Проблема растворимости и доставки.
Неорганические покрытия.
Природные нанокомпозиты (2 ч)
Органические нанокомпозиты, минеральные и смешанные. Перламутр — пример органо-неорганического нанокомпозита, в котором прочные минеральные слои (арагонита, кристаллов карбоната кальция CaCO3 размерами 10-20 микрон в ширину и полмикрона в толщину) разделены эластичными слоями биополимеров (таких как хитин, люстрин и шёлкоподобные протеины). Пример связи структуры и свойств: толщина кристаллов арагонита сравнима с длиной волны видимого света и поэтому свет различных длин волн испытывает многочисленную и разнообразную интерференцию, выливаясь в различную окраску в зависимости от угла взгляда.
Применение самосборки минеральных нанокомпозитов с помощью биологических молекул. Пример самосборки минерального зуба с помощью белков.
Отдельно можно выделить природные нанокомпозиты, биомиметические нанокомпозиты (нанобионические композиты) и биологически получаемые нанокомпозиты.
Роль биологических материалов в нанотехнологиях: от получения до применения.
Биологические композиты
Все биологические структуры — нано. Несколько примеров: липидные мембраны, ионные каналы, белки, ДНК, актин, паучий шелк и т. д. Формально все эти материалы не являются нанокомпозитами, но они состоят из блоков наноразмера. (например, ансамбли белков). Рассмотрим пример паучьего шелка. Он в пять раз прочнее стали, растягивается на 30-40%, а у некоторых пауков в 20 раз! Паутина не разрывается при ударе с энергией до 10 ГДж/м³ (энергия пули), что делает ее одним из самых крепких материалов известных человечеству. Например, если создать паутинную нить диаметром 0,7—0,8 мм, то сетка из таких канатиков сможет остановить летящий самолет. Шелк состоит из двух белков: богатый аланином белок (кристаллический регион, очень прочный) и богатый глицином белок (аморфный регион, эластичный). Предпринимаются попытки получить искусственный паучий шелк, например, генными инженерами, встраивающими нужный ген в коз, дрожжи, шелкопряда. Однако полученные материалы сильно уступают оригиналу, так как его свойства зависят не только от состава, но и от способа синтеза (при вытягивании у шелкопряда получается более прочная нить, а способ плетения паутины вообще пока неподражаем).
Простейшие примеры природных нанокомпозитов, когда неорганическая часть распределена в или на органической части. Следующий уровень — когда минеральная фаза определена органической. Наивысший уровень — когда фазы настолько связаны, что нельзя сказать, какая фаза главнее. В последнем случае фазы образуются одновременно, тогда как в первых двух сначала образуется органическая фаза.
Биологически синтезированные наноструктуры и наносистемы
Много кристаллов оксида кремния образуется в траве. Неизвестна его роль, однако, например, в лесном хвоще кремния может быть 20-25% сухого веса, что делает эту траву несъедобной. Другим хрестоматийным примером синтеза нанокомпозитов являются «магнитные бактерии», которые содержат цепочку кристаллов магнетита (Fe3O4) вдоль длинной оси. Кристаллы 40 нм в диаметре и позволяют бактерии ориентироваться вдоль магнитного поля земли.
Органическая матрица может служить шаблоном для минеральных нанообразований. Например, S-слой бактерий, на котором оседает предварительно растворенный гипс. Такой принцип удобно использовать для синтеза различных неорганических пленок. Данные бактерии используют еще один полезный принцип — они изменяют локальное окружение, в данном случае растворяя гипс.
Высшие организмы также генерируют нанокомпозиты. Например, иглы морского ежа состоят из кальцита, с долей гликопротеинов (всего 0,02%), но эта доля кардинально меняет свойства кальцита. Другой пример — перламутр раковин и жемчуга. Устройство и свойства перламутра.
Еще один известный пример нанокомпозита — кость, состоит из коллагеновой фазы (фибриллы 80‑100 нм в диаметре) и минеральной части (65%). 7 уровней организации кости. Однако многие полезные материалы не доступны в природе.
Наноматериалы на основе биологических молекул
Биологические полимеры: углеводы, белки, нуклеиновые кислоты.
Белки: структурная организация и функции в клетке. Белки-переносчики: особенности расположения и функционирования в клетке. Строение, расположение и функции белков-рецепторов, достижения нанобиологии в изучении рецепторной функции мембраны.
ДНК как носитель и хранитель генетической информации в клетке. Биологическая роль РНК, особенности её строения и функции. Гибридизация нуклеиновых кислот, ее практическое применение. Амплификация молекул нуклеиновых кислот как основа для разработки методов диагностики заболеваний. Создание биочипов на основе ДНК.
Основные стратегии создания наноконструкций на основе нуклеиновых кислот: конструирование «шаг за шагом» и конструирование по типу «все сразу». Области применения наноконструкций на основе ДНК: доставка лекарств, биодатчики, оптические фильтры, электроника и механика.
Нанобиотехнологии на основе метода генетической инженерии: способы получения наногенов для трансплантации, технологии переноса генов в клетку, методы внедрения чужеродной ДНК в геном клетки, перспективы развития нанобиотехнологий в производстве биологически активных веществ и лекарственных препаратов, генная терапия и генный таргетинг.
Нанобионные композиты
Образование композитов на основе белков. S-слои. Напыление и снятие неорганических слоев. Пример с ферритинами. Генетические изменения бактерий могут позволить изменить синтезируемые белки и, соответственно, структуры, которые они определяют.
ДНК. Минерализация ДНК CdS. Благодаря избирательному связыванию ДНК позволяет получать строго определенные структуры — пример с золотом.
Слой CdS на слое арахиновой кислоты и слой CdSe на слое Ленгмюра. Жидкие кристаллы — идеальная основа для синтеза нанокомпозитов.
Отдельный интересный объект синтеза — полупроводниковые структуры (CdS, CdSe), осаждаемые на различных мезоструктурах амфифильных молекул. Минеральные структуры зависят не только от матрицы, но и от реактивов. Различные мезаструктуры — различные наноструктуры.
Другие способы подобного синтеза: блоксополимеры, коллоидный синтез.
Методы характеризации биосовместимых наноматериалов (4 часа)
Масс-спектрометрия матрично-активированной лазерной десорбции / ионизации (МАЛДИ).
Дифракция электронов: дифракция медленных электронов, дифракция отраженных быстрых электронов.
Полевые методы: полевой электронный микроскоп, полевой ионный микроскоп.
Сканирующая зондовая микроскопия: сканирующая туннельная микроскопия, атомно-силовая и магнитно-силовая микроскопия.
Рентгеновская спектроскопия и дифракция: рассеяние на аморфных и частично упорядоченных объектах, малоугловое рентгеновское рассеяние, рентгеновская спектроскопия поглощения: EXAFS, XANS, NEXAFS.
Электронная спектроскопия: рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, ультрафиолетовая электронная спектроскопия, электронная Оже-спектроскопия.
Оптическая и колебательная спектроскопия.
Мессбауэровская (гамма-резонансная) спектроскопия: адсорбционная и эмиссионная МС, Рэлеевское рассеяние мессбауэровского излучения, Мессбауэровская спектроскопия конверсионных электронов, временнáя МС резонансного рассеяния, неупругое ядерное резонансное рассеяние.
Методы радиоспектроскопии: ядерный магнитный резонанс, электронный парамагнитный резонанс.
Биологические методы диагностики.
Компьютерное моделирование и конструирование биосовместимых композитных наноматериалов (2 часа)
Подходы к моделированию композитов
Отличие моделирования нанокомпозитов от моделирования микрокомпозитов. Задачи моделирование синтеза и моделирование свойств и разрушения. Различные подходы к описанию нанокомпозитов: интерфейс, связанные полимеры, сети, многоуровневые модели.
Методы молекулярного моделирования
Молекулярная механика
В методе молекулярной механики атомы рассматриваются как ньютоновские частицы, которые взаимодействуют друг с другом посредством неких потенциальных полей, задаваемых эмпирически. Силовые поля: MM+, AMBER, BIO+, OPLS.
Метод MM+ разрабатывался для органических молекул. Он учитывает потенциальные поля, формируемыми всеми атомами рассчитываемой системы и позволяет гибко модифицировать параметры расчета в зависимости от конкретной задачи, что делает его, с одной стороны, наиболее общим, а с другой — резко увеличивает необходимые ресурсы по сравнению с другими методами молекулярной механики.
Метод AMBER разрабатывался для белков и нуклеиновых кислот.
BIO+ разрабатывался для биологических макромолекул и во многом повторяет AMBER.
OPLS разработан для белков и нуклеиновых кислот. Он подобен AMBER, но более точно обрабатывает нековалентные взаимодействия.
Основы квантовой химии
Соотношение неопределенности. Гамильтониан. Уравнения Шредингера и волновые функции. Решение уравнения Шредингера для движения электрона в кулоновском поле ядра (водородоподобный атом). Собственные значения и собственные функции. Теория возмущений. Спин. Теория симметрии.
Численные методы квантовой химии
Методы приближенного решения уравнения Шредингера.
Метод Хартри-Фока-Рутаана. Метод Хюккеля. Полуэмпирические методы.
Метод функционала плотности, методы учета корреляции электронов (конфигурационное взаимодействие, теория возмущений).
Различия в расчетах между атомами, молекулами, полимерами и кристаллами — учет пространственной симметрии. Учет среды и окружения.
Программы для расчета
HyperChem, Gaussian, GAMESS и т. д. (на выбор преподавателя). Просмотрщики (вьюеры). Интерфейс, ввод данных и вывод результатов.
Демонстрация расчета простой молекулы
Молекула в растворителе. Вычисление структуры белка.
Свойства и применения нанобиоматериалов (4 часа)
Сравнение «чистой» матрицы и нанокомпозита
Привести примеры, когда нанонаполнитель придает новые свойства полимерам (силикаты в эпоксидных смолах, в полиамидах, нанотрубки в полимерах). Почему? Одна из очевидных причин — малый размер наполнителя. Привести графики сравнения удельной площади наполнителя и расстояния между частицами от диаметра и доли при разных размерах частиц. Анализ графиков. Управляя долей наполнителя можно управлять свойствами композита.
Дисперсия размеров наполнителя — путь к особой прочности (нет полостей).
Подробный разбор различных нанонаполнителей:
· Нанотрубки углеродные и нет. Внесение особых физических свойств в матрицу.
· 2D-наполнители. Силикаты. Упорядоченные слои между наполнителями.
· Покрытые наночастицы в матрице — «тройной» нанокомпозит.
Механические свойства
Модификация поверхности наполнителя и взаимодействие матрицы и наполнителя могут привести к нелинейным эффектам.
Различные по форме нанонаполнители: сферические (может как усиливать модули, так и уменьшать), нанотрубки (средние значения между матрицей и наполнителем), плоскости (усиление механических свойств).
Увеличение устойчивости к стрессам и уменьшение прочности (жесткости). Различные способы достижения компромисса.
Абразивность зависит от размера частиц.
Проницаемость для газов и жидкостей.
Расширение/сжатие от температуры и окружающих условий. Нанокомпозиты могут предоставить уникальные возможности по уменьшению зависимости удельного объема от температуры/условий (см. стоматологию).
Термическая стабильность и возгораемость.
Оптика
Нелинейные оптические эффекты (оптические ограничители и модуляторы). Слабая тепловая и оптическая стабильность.
Хороший пример керамического нанокомпозита — нанокристаллы GaAs в матрице SiO2, получаемый соимплантацией (Ga+, As+). Уменьшением частиц можно достичь ранее недоступных материалов. Примеры люминесценции для различных наночастиц. Другие методы получения: коллоидный синтез, самосбрка, электрохимия.
Металлы в диэлектрике: оптические компьютеры, голография в реальном времени. Методы получения: ионная имплантация, золь-гель синтез, напыление. Примеры: Au/SiO2, Ag/SiO2, Au/Al2O3, Au/TiO2.
Электроника и механика
Нанотрубки: прекрасный проводник, легкий и прочный. Нанопроволоки.
Графен. Электронные компоненты на графене.
Встраивание наночастиц непьезоэлектрических материалов в пьезоэлектрическую матрицу.
Встраивание наночастиц проводников (металлов) в полупроводниковую матрицу. Наблюдается температурная зависимость типа проводимости.
Алмазоподобные композиты (DLC-based nanocomposites) обладают рядом уникальных свойств, позволябющих их использовать в самых разных областях (например, покрытие DLC на бритвах Gillette Mach 3). Подобные нанокомпозиты имеют высокий диффузионный барьер, большую износостойкость, низкий коэффициент трения и высокую адгезию к большинству материалов, разные необычные электрические и оптические свойства.
Сенсоры
Встраивание наночастиц металлов активаторов/катализаторов повышает чувствительность оксидов металлов к газам (напрмиер, SnO2, TiO2).
Магнитные материалы
Малые кластеры — особые магнитные свойства (Co, Nb). Покрытие нанокластеров для разделения друг от друга и защиты от среды. Особенности спинового состояния поверхности.
Наномедицина
Механизмы воздействий наноматериалов на клетки и ткани: фуллерены, нанотрубки, кластеры серебра и т. д.
Наночастицы: доставка лекарств, маркеры.
Стоматология и ортопедия.
Использование нанопокрытий в медицине. Нанопокрытие — путь к биосовместимости.
Покрытия
Водоотталкивающие покрытия, примеры, применения.
Гидрофильные покрытия — возможность растворить нерастворимое.
Общие вопросы нанотехнологий (2 часа)
Группирование нанотехнологий по социально значимым признакам: группа ретро-технологий (не требует генерации новых знаний), группа современных технологий (требует генерации новых знаний, но уже готовы к применению), группа нанотехнологий будущего (требует генерации новых знаний, основана на еще не разработанных эффектах, отдача долгосрочная).
Экологическая и биологическая безопасность производства нанокомпозитов
Основные типы антропогенных экосистем, их отличие от естественных экосистем. Достижения сельскохозяйственной биотехнологии. Понятие об экологической биотехнологии, ее задачи.
Наноматериалы могут обладать совершенно иными физико-химическими свойствами и биологическим (в том числе токсическим) действием, чем вещества в обычном физико-химическом состоянии, в связи с чем они относятся к новым видам материалов и продукции, характеристика потенциального риска которых для здоровья человека и состояния среды обитания во всех случаях является обязательной!!!
Проблема «серой слизи».
Токсичность наноматериалов
В наноразмерном состоянии можно выделить следующие физико-химические особенности поведения веществ, которые могут влиять на их экологическое влияние и токсичность:
· увеличение химического потенциала веществ на межфазной границе высокой кривизны. Для макрочастиц (размерами порядка микрона и более) данный эффект незначителен (не более долей процента). Большая кривизна поверхности наночастиц и изменение топологии связи атомов на поверхности приводит к изменению их химических потенциалов. Вследствие этого существенно изменяется растворимость, реакционная и каталитическая способность наночастиц и их компонентов;
· большая удельная поверхность наноматериалов. Очень высокая удельная поверхность (в расчете на единицу массы) наноматериалов увеличивает их адсорбционную емкость, химическую реакционную способность и каталитические свойства. Это может приводить, в частности, к увеличению продукции свободных радикалов и активных форм кислорода и далее к повреждению биологических структур (липиды, белки, нуклеиновые кислоты, в частности, ДНК);
· небольшие размеры и разнообразие форм наночастиц. Наночастицы, вследствие своих небольших размеров, могут связываться с нуклеиновыми кислотами (вызывая, в частности, образование аддуктов ДНК), белками, встраиваться в мембраны, проникать в клеточные органеллы и, тем самым, изменять функции биоструктур. Следует обратить внимание на то, что наночастицы могут не вызывать иммунный ответ. Процессы переноса наночастиц в окружающей среде с воздушными и водными потоками, их накопление в почве, донных отложениях могут также значительно отличаться от поведения частиц веществ более крупного размера;
· высокая адсорбционная активность. Из-за своей высокоразвитой поверхности наночастицы обладают свойствами высокоэффективных адсорбентов, то есть способны поглощать на единицу своей массы во много раз больше адсорбируемых веществ, чем макроскопические дисперсии. Возможна, в частности, адсорбция на наночастицах различных контаминантов и облегчение их транспорта внутрь клетки, что резко увеличивает токсичность последних. Многие наноматериалы обладают гидрофобными свойствами или являются электрически заряженными, что усиливает как процессы адсорбции на них различных токсикантов, так и их способность проникать через барьеры организма;
· высокая способность к аккумуляции. Возможно, что из-за малого размера наночастицы могут не распознаваться защитными системами организма, не подвергаются биотрансформации и не выводятся из организма. Это ведет к накоплению наноматериалов в растительных, животных организмах, а также микроорганизмах, передаче по пищевой цепи, что, тем самым, увеличивает их поступление в организм человека.
· особенности строения, например, полые нанотрубки, встраиваясь в мембрану, могут служить открытым каналом электронов/ионов.
Несмотря на то, что наноматериалы в мире уже используются более 10 лет, ни один вид наноматериалов не был изучен в полном объеме на безопасность ни в одной из стран мира. Фактически, во всем мире проводилось незначительное количество таких исследований, которые не позволяют точно оценить потенциальные риски использования наноматериалов. Требуется разработка высокочувствительных и адекватных методов определения наноматериалов в объектах окружающей среды, пищевых продуктах и биосредах. Разрабатываются методы определения наноматериалов, основанные на использовании масс-спектрометрии матрично-активированной лазерной десорбции/ионизации (МАЛДИ), электрических и белковых биосенсеров, радиоактивных, стабильноизотопных и спиновых меток, электронной микроскопии, атомно-силовой микроскопии, рентгеновской эмиссионной спектрометрии, квазиупругого лазерного светорассеяния, высокоэффективной обращеннофазовой жидкостной хроматографии, аналитического центрифугирования.
Для наноматериалов существующая в настоящее время методология «доза-эффект» оценки риска может быть неприменима (или применима ограниченно) вследствие следующих причин:
· токсичность наночастиц не может быть выведена по сравнению с аналогами в макродисперсной форме или в виде сплошных фаз, так как токсикологические свойства наноматериалов являются результатом не только их химического состава, но и разнообразия их других особенностей, таких как поверхностные характеристики, размер, форма, состав, химическая реактивность и др.;
· имеющиеся токсикологические методологии основаны на определении токсичности вещества относительно массовой концентрации, что не приемлемо для наноматериалов, для которых одним из основных определяющих свойств будет величина площади поверхности или число наночастиц;
· отсутствуют стандартизованные индикаторы нанотоксичности, которые должны обязательно учитывать вклад таких характеристик, как поверхностные характеристики, размер, форма, состав, химическая реактивность составляющих их частиц;
· отсутствуют данные об органах-мишенях действия конкретных наноматериалов;
· методы выявления, идентификации и количественного определения наноматериалов в объектах окружающей среды, пищевых продуктах и биосредах, которые могли бы достоверно отличить их от химических аналогов в макродисперсной форме, не достаточно разработаны;
· отсутствуют или недоступны новые базы данных и математические модели, опирающиеся на достижения биоинформатики и на экспериментальные данные по токсичности отдельных наноматериалов.
Схема путей поступления, распределения и выведения наноматериалов в организме человека.
Наноматериалы могут быть токсичными, тогда как их эквивалент в обычной форме в этой же концентрации безопасен. Показано, что даже однократная ингаляция углеродных нанотрубок вызывает у экспериментальных животных воспалительный процесс в легочной ткани с последующим некрозом клеток и развитием фиброза, что, возможно, в дальнейшем способно привести к раку легких. Наноматериалы обладают нейротоксичностью, в том числе, по-видимому, за счет прохождения через гематоэнцефалический барьер, вызывая окислительный стресс в клетках мозга; кардиотоксичность и гепатотоксичность наноматериалов также определяется развитием окислительного стресса и воспалительной реакции, что приводит к апоптозу и некрозу клеток; имеются отдельные сведения, что наночастицы могут усиливать ответы на аллергены.
Токсичность наноматериалов, согласно имеющимся литературным данным, обусловлена, в первую очередь, развитием окислительного стресса и повреждением ДНК, что может приводить к развитию воспалительной реакции, апоптозу и некрозу клетки. Также возможны другие механизмы токсичности наноматериалов: повреждающее действие на клеточные мембраны и органеллы, усилениее транспорта потенциально токсичных компонентов через барьеры организма, а также возможная генотоксичность и усиление аллергии.
Пример нанокластеров серебра: польза и токсичность «в одном флаконе».
Фуллерены и нанотрубки: применение и доказанная токсичность.
Биодеградация ксенобиотиков. Особенности влияния наночастиц на живые организмы: влияние наночастиц углерода, фуллеренов и углеродных нанотрубок на человека и другие живые организмы. Влияние других кластеров: золото, серебро, алюминий, железо и оксиды железа, медь, цинк, оксид титана. Связь размера, структуры и токсичности.
Управление рисками и социальные аспекты нанотехнологий
Усилия, принимаемые правительствами различных стран по изучению рисков нанотехнологий.
Основные журналы, порталы и источники патентной информации по биосовместимым композитным наноматериалам. Интернет-ресурсы по нанотехнологиям
Основные источники, см. 10 раздел УМК.
Национальная нанопрограмма России и состояние работ по биосовместимым композитным наноматериалам за рубежом
Основные положения нанопрограммы России и краткий обзор/сравнение зарубежных работ.
5. План ПРАКТИЧЕСКИХ (СЕМИНАРСКИХ) ЗАНЯТИЙ
Практические занятия по курсу «Технологии биосовместимых композитных наноматериалов» представляют собой набор семинарских занятий, на которых учащимся представляется к рассмотрению ряд задач, связанных с основами проектирования и моделирования наноматериалов, в том числе и биосовместимых нанокомпозитов, а также возможность проведения самостоятельного реферативного исследования в области технологий изготовления и применения биосовместимых композитных наноматериалов.
План практических занятий представлен в таблице 3.
Таблица 3
Темы практических (семинарских) занятий | Кол. часов |
РАЗДЕЛ I Презентация студентов по отдельным темам реферативных работ | 10 |
Тема 1: Композитные наноматериалы в стоматологии и костной хирургии | 2 |
Тема 2: Композитные наноматериалы на основе биологических молекул: области применения и перспективы использования | 2 |
Тема 3: Применение композитных наноматериалов с антибактериальными и ранозаживляющими свойствами | 2 |
Тема 4: Футурологический прогноз конструированияспользования композитных биосовместимых наноматериалов | 2 |
Тема 5: Проблемы при оценке биосовместимости и токсичности композитных наноматериалов | 2 |
РАЗДЕЛ II Проектирование и моделирование наноматериалов | 12 |
Тема 1: Знакомство с возможностями программного пакета HyperChem (или ChemBioOffice). Базовые принципы работы | 2 |
Тема 2: Знакомство с возможностями программного пакета HyperChem (или ChemBioOffice). Расчет простейших молекулярных систем с использованием методов молекулярной механики, молекулярной динамики, квантово-химических методов | 2 |
Тема 3: Знакомство с возможностями программного пакета HyperChem (или ChemBioOffice). Проектирование композитных наноматериалов на основе полимеров и кристаллических структур | 2 |
Тема 4: Знакомство с возможностями программного пакета HyperChem (или ChemBioOffice). Проектирование композитных наноматериалов на основе биологических молекул | 2 |
Тема 5: Знакомство с возможностями программного пакета для квантово-химических расчетов GAMESS (или GAUSSIAN, ПРИРОДА). Базовые принципы работы | 2 |
Тема 6: Знакомство с возможностями программного пакета для квантово-химических расчетов GAMESS (или GAUSSIAN, ПРИРОДА). Расчет простейших молекулярных систем | 2 |
ВСЕГО | 22 |
РАЗДЕЛ I. Выступления студентов по отдельным темам реферативных работ.
Тема 1: Композитные наноматериалы в стоматологии и костной хирургии
Цель занятия: проведение студентами выступлений по заданной теме, обсуждение представленного материала, оценка самостоятельной работы.
Время занятия: 2 академических часа.
Обоснование выбора темы:
Современные стоматология и костная хирургия все больше используют в своем арсенале средств композитные наноматериалы. Такой нанокомпозит в самом классическом варианте представляет собой полимерную основу, заполненную различными наполнителями — нанообъектами (например, наночастицами). В качестве мономера полимерной основы будущего композита (звена для всей цепочки) обычно берут структуру М-Р-М, где M — это остаток эфира метакриловой кислоты, Р — радикал (промежуточное органическое вещество). Такая структура универсальна для любого полимера, используемого в композитных наноматериалах. Небольшие различия в структуре мономера и добавок (инициаторов реакции) определяют будущие свойства композита и тип полимеризации (химиополимеры и фотополимеры). Тем не менее, одного изготовления полимера и его смешивания с наполнителем недостаточно. Более того, сам процесс внесения наполнителя может быть довольно сложным. Существуют также технологии присоединения уже готовых нанокомпозитов к другим материалам. Кроме стоматологии композиты используются в протезировании (костной хирургии), где требуется их сочетание с металлическими частями конструкции. Поэтому существуют технологии, обеспечивающие прочное соединение металлической и композитной частей. Этого можно достичь обычным механическим путем, а можно использовать физико-химические и комбинированные методы. Весьма популярны и востребованы, особенно в эстетической стоматологии, адгезивные технологии, т. е. способствующие прочному склеиванию разнородных материалов. После применения адгезивных технологий композит и поверхность зуба в месте «склеивания» имеют прочность на разрыв, соизмеримую с прочностью твердых тканей зуба, что дает гарантии качества и долголетия установленных пломб или иных конструкций. Практически на каждый вид использования нанокомпозитов существуют свои требования, выполнение которых гарантирует качество получаемых изделий и долговечность их эксплуатации. Существуют также свои рецептурные секреты, которые со временем патентуются и становятся отработанной технологий для других.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 |
