Магнітна сепарація наночастинок в ліпідних оболонках за фракціями (стр. 2 )

– уперше розроблено методи визначення границі області вилучення і границі області захоплення наночастинок заданої фракції у високоградієнтному магнітному сепараторі з осьовою конфігурацією матриці, що дозволяє визначити конструкцію сепараційного каналу, його продуктивність і обсяг захоплених наночастинок.

Практичне значення отриманих результатів:

– визначено значення геометричних і магнітних параметрів полюсів магнітної системи Фарадея, що дозволяють створити в робочому проміжку однорідне поле градієнта напруженості;

– розроблено методику визначення конструктивних, магнітних і режимних параметрів сепаратора наночастинок із магнітною системою Фарадея;

– розроблено методику визначення конструктивних, магнітних і режимних параметрів системи високоградієнтної магнітної сепарації наночастинок за фракціями.

Розробки пройшли експериментальну перевірку і використані в Інституті електродинаміки НАН України для обґрунтування конструктивних рішень нового обладнання, призначеного для застосування в наномедицині.

Теоретичні результати роботи використовуються в навчальному процесі кафедри "Електричні машини та апарати" Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського при викладанні дисциплін "Електромагнітні розрахунки" та "Спеціальні питання теорії електричних машин і апаратів".

Особистий внесок здобувача. Автор самостійно сформулював завдання дослідження і мету роботи, наукову новизну одержаних результатів, виконав теоретичну частину роботи та експериментальні дослідження.

У роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачеві належить: [1] – визначено рівняння балансу сил, що діють на наночастинку в робочому проміжку високоградієнтного магнітного сепаратора при осьовому розташуванні стрижнів матриці; знайдено рішення рівняння графічним методом; розроблений метод, який дозволяє визначити геометричні параметри феромагнітного стрижня матриці для вилучення заданого діапазону фракцій наночастинок; [2] – обґрунтована нова конструкція матриці зі складеними стрижнями для сепарації наночастинок у ліпідних оболонках; [3] – розроблено метод розрахунку системи магнітної сепарації, визначені конструктивні особливості матриці і сепараційного каналу; [5] – одержано аналітичні вирази розрахунку градієнта напруженості магнітного поля, проведено моделювання стрижня матриці в робочому проміжку магнітної системи методом скінчених елементів; [6] – обґрунтована конструкція сепараційного каналу, розроблено метод визначення геометричних параметрів сепараційного каналу; [8] – проведено аналітичний огляд сил, які впливають на наночастинки в процесі магнітної сепарації; [9] – обґрунтовано застосування магнітної системи Фарадея для сепарації наночастинок; [10] – розрахована траєкторія наночастинки в магнітному полі сепаратора; [11] – виконано моделювання магнітної системи і проведено розрахунок швидкості руху наночастинки під дією магнітної сили; [13] – визначені два основні механізми магнітного розділення наночастинок; [14] – одержані рівняння траєкторії наночастинки в полі намагніченого стрижня матриці сепаратора; [15] – виконаний розрахунок та аналіз сили дифузії, яка діє на наночастинку в потоці рідини; [16] – одержані вирази для обчислення геометричних параметрів стрижня матриці, розроблена конструкція сепараційного каналу; [17] – одержані геометричні параметри полюсів магнітної системи Фарадея, за яких у робочому проміжку існує значна область однорідного градієнта магнітного поля.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати дисертаційної роботи доповідалися на Міжнародних науково-технічних конференціях: «Електромеханічні та енергетичні системи, методи моделювання та оптимізації» (м. Кременчук, 2011 р.), «Проблеми енергоресурсозбереження в електротехнічних системах. Наука, освіта і практика» (м. Кременчук, 2013 р.), «Проблеми автоматизованого електроприводу. Теорія і практика» (м. Алушта, 2010 р.), «Підвищення рівня ефективності енергоспоживання в електротехнічних пристроях і системах» (м. Луцьк, 2014 р.); Міжнародному симпозіумі «Проблеми удосконалення електричних машин і апаратів. Теорія і практика. SIEMA'2012» (м. Харків, 2012 р.); Всеукраїнських науково-технічних конференціях молодих вчених і спеціалістів: «Електромеханічні системи, методи моделювання та оптимізації» (м. Кременчук, 2009 р.), «Електромеханічні та енергетичні системи, методи моделювання та оптимізації» (м. Кременчук, 2010 р.), «Фізичні процеси та поля технічних і біологічних об'єктів» (м. Кременчук, 2009 р.), «Проблеми енергоефективності та енергозбереження» (м. Кіровоград, 2012 р.).

Результати роботи обговорювалися на засіданнях науково-технічного семінару «Електромагнітні та електромеханічні процеси в електричних машинах і апаратах» Кременчуцького національного університету імені Михайла Остроградського при Науковій раді «Наукові основи електроенергетики» Інституту електродинаміки НАН України (2009–2014 рр.).

Публікації.

Основні результати дисертації опубліковані в 17 друкованих працях, із них 1 стаття опублікована в спеціалізованому науковому виданні, яке внесено до міжнародної наукометричної бази даних SciVerse Scopus («Технічна електродінаміка» 6'2014); 4 статті опубліковані в спеціалізованих наукових виданнях, які внесені до міжнародних наукометричних баз даних Ulrich’s Periodicals Directory, Index Copernicus, ВІНІТІ РАН; 1 стаття опублікована в провідному закордонному виданні («Известия вузов. Электромеханика» 4'2014.); 4 – у спеціалізованих виданнях, які входять до переліку МОН України; 1 – в інших виданнях України; 4 – тези доповідей на конференціях; 2 деклараційних патенти України; три наукові роботи опубліковано без співавторів.

Структура та обсяг дисертації. Повний обсяг дисертації становить 187 сторінок друкованого тексту й містить вступ, п’ять розділів, висновки, список використаних джерел і 2 додатки. Список використаних джерел складається із 127 найменувань на 13 сторінках. Основна частина викладена на 143 сторінках. Дисертація містить 83 рисунки та 14 таблиць, із них 15 рисунків повністю займають 6 сторінок.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність роботи та показано зв'язок теми з науковими програмами та планами НДР, сформульовано мету та задачі дослідження, наведено наукову новизну, практичну цінність і рівень апробації отриманих результатів, кількість публікацій за темою та особистий внесок автора.

У першому розділі виконано аналіз сепараційних систем, область їх застосування. Описаний склад нанопрепарату для використання в біомедицині. Визначені сепараційні системи, які можуть бути застосовані при виробництві нанопрепарату.

Нанопрепарат для біомедичного застосування являє собою монодисперсні магнітні наночастинки в ліпідних оболонках, розподілені в біологічно сумісному розчиннику. В якості матеріалу для виготовлення магнітних наночастинок широко використовується магнетит (Fe3O4). Для агрегативної стійкості і для приєднання фармацевтичних агентів магнітні наночастинки вкриті ліпідним шаром (поверхнево-активна речовина – ПАР), товщина якого становить 1,5...2 нм. Рекомендований розмір наночастинок для вирішення медичних задач становить: для біомагнітної сепарації і гіпертермії – 40...60 нм; для цільової доставки лікарських засобів і візуалізації – 20...80 нм. У той же час вихідний нанопрепарат містить наночастинки розміром 0...100 нм. На сьогоднішній день отримання заданих фракцій здійснюється методом центрифугування, що є неефективним унаслідок низької продуктивності і високої вартості.

Для отримання фракцій з необхідним розміром частинок і видалення надлишку ПАР також може бути застосована магнітна сепарація, оскільки фракції значно різняться за магнітними властивостями. Порівняно з традиційним методом центрифугування технологія магнітної сепарації більш продуктивна та не вимагає складного і високовартісного устаткування. Але на сьогоднішній день не існує технології магнітного поділу наночастинок у ліпідних оболонках за фракціями. Магнітні системи сепарації, що працюють з мікро - і наноматеріалом, призначені для інших задач – розділяють вихідний продукт на магнітний і немагнітний. Проведений огляд існуючих систем показав, що наукові дослідження слід вести в напрямку високоградієнтної магнітної сепарації (ВГМС) і магнітної сепарації із розсікачем тонких потоків (SPLITT). Для вилучення наночастинок вузького діапазону розмірів можливо застосовувати ВГМС, тому що магнітна сила обернено пропорційна розміру феромагнітної матриці. У сепараційній системі SPLITT за рахунок застосування вдосконаленої магнітної системи можливо розділяти продукт на три фракції з високою продуктивністю.

Таким чином показано, що при виробництві нанопрепарату для цільової доставки лікарських засобів і візуалізації (діапазон 20...80 нм) необхідно застосовувати сепарацію SPLITT із магнітною системою Фарадея, а при виробництві нанопрепарату для біомагнітної сепарації і гіпертермії (діапазон 40...60 нм) – необхідно застосовувати ВГМС.

Другий розділ присвячений аналізу та розрахунку сил, що впливають на наночастинки в потоці рідини при накладанні високоградієнтного магнітного поля. Також проведений аналіз магнітних властивостей наночастинок.

Для задач сепарації найбільш важливим магнітним параметром є магнітний момент наночастинок і його залежність від величини зовнішнього магнітного поля. За його відсутності магнітний момент наночастинки залежить від її структури (одно- або багатодоменна). Тому навіть у слабкому магнітному полі у наночастинки дрібної фракції, за рахунок однодоменності, значення магнітного моменту більше ніж у багатодоменної наночастинки великої фракції. За наявності зовнішнього магнітного поля магнітний момент наночастинки можна визначити із застосуванням теорії парамагнетизму Ланжевена.

Аналіз результатів чисельного моделювання значення магнітного моменту наночастинок різних фракцій дозволяє зробити наступні висновки: значення магнітного моменту наночастинок у стані магнітного насичення прямо пропорційно розміру їх магнітного ядра; максимальна різниця значень магнітних моментів наночастинок різних фракцій спостерігається при намагнічуванні наночастинок до насичення; значення напруженості магнітного поля, яке достатнє для магнітного насичення наночастинок, становить 400 кА/м; значення магнітного моменту практично не змінюється при зміні напруженості зовнішнього поля в діапазоні 400...1000 кА/м.