Учебно-методический комплекс дисциплины «Медико-биологические полимеры» (стр. 8 )

Коэффициент деформации характеризует удельное растяжение на единицу длины образца. Силовой характеристикой устройства является отношение возникающего давления к плотности полимерного материала. На основе таких слоистых эластомерных пленок могут быть созданы новые приводы, сенсоры, электрогенераторы и роботы. По значениям достигаемой деформации и усилиям диэлектрические пластики близки к соответствующим показателям мышц животных. Лучшие образцы электронных ЭАП на основе акриловых эластомеров достигают деформации порядка 300 - 400%. Было установлено, что предварительное растяжение полимеров значительно улучшает их характеристики и ведет к увеличению коэффициента деформации и электрической прочности на пробой почти в 100 раз. Это связано с ориентацией полимерных цепей вдоль плоскости растяжения, приводящей к возрастанию прочности пленки. Поэтому в созданных приводах предусмотрена специальная внешняя обтяжка или оболочка.

Рассмотрены свойства систем типа искусственных мускулов на основе диэлектрических полимеров. Предложена математическая модель, учитывающая усадку тонких пленок, осажденных на электродах, а также электростатические взаимодействия в системе диэлектрический эластомер-электроды. Проведен анализ динамических характеристик систем. Экспериментально исследована связь механических усилий, возникающих в таких системах с приложенным потенциалом.

3. В качестве материала для преобразователей используются полиэлектролитные гидрогели, помещенные в электрическое поле. Если поместить пластину из набухшего в воде гидрогеля полиметакриловой кислоты между двумя электродами, то под воздействием электрического поля происходит контракция геля с выделением растворителя. Скорость контракции линейно зависит от количества проходящего тока. В случае полианионного геля низкомолекулярные катионы движутся к катоду вместе с водой, что ведет к обогащению водой участка геля около катода, в то время как в анодном участке геля наблюдается её недостаток. Поэтому происходит набухание геля вблизи катода и сжатие его у анода в случае отрицательно заряженного гидрогеля, а для положительно заряженного геля наблюдается обратная картина (Рис. 2).

Рис.2 Схема изгибания пластины анионного гидрогеля при ассоциации с молекулами катионного ПАВ в электрическом поле

Создан также червеобразный мускул, действие которого основано на злектрокинетической молекулярно-агрегативной реакции, где молекулы ПАВ, двигающиеся к катоду образуют комплекс с отрицательно заряженным гелем, вызывая анизотропное сжатие и сгибание пластины к аноду.

Осуществлено угреподобное биоимитационное движение для гелей полиаминометилпиридиний сульфоната с ПАВ при помещении геля между пятью парами электродов с попеременно меняющейся полярностью. При включении электрического тока различные участки образца геля изгибались в сторону соответствующего электрода, производя угреподобное движение.

Лекция 11 - Стимул-чувствительные устройства на основе полимеров и принципы нанотехнологии и биомоделирования

Содержание:

Гидрофильные полимерные сетки в электрическом и магнитном полях. Коллапс гидрогелей в магнитных полях: проблемы биомоделирования

1. Необходимость разработки новых подходов определяется огромной разницей между нанотехнологиями и классическими схемами химического синтеза. Нанотехнологи позволяют перевести в реалистическую плоскость создание молекулярных компьютеров. Уже созданы лабораторные образцы молекулярного диода, одноэлектронного молекулярного транзистора - главных элементов электронных схем (напомним, что микросхемы также базируются на этих элементах, отличие состоит в том, что на одном кристалле сразу формируется большая электронная сборка).

Биомоделирование «заменяет» исследование реальных биологических систем аналогами искуственного или смешанного происхождения, которые способны выполнять отдельные функции, присущие исходному объекту, и активно использует, например, достижения физической химии полимеров и коллоидов.

Разработка теоретических представлений, позволяющих анализировать влияние магнитного поля на полимерные системы высших размерностей, представляет интерес не только для физической химии полимеров. Интерес к таким разработкам связан также с общими проблемами интерпретации воздействия магнитных и электромагнитных полей на живые клетки и биомодельные объекты. Частью этой общей проблемы является установление механизма воздействия вариаций геомагнитных полей на биосферу и отдельных ее представителей.

Хорошо известный полиэлектролитный эффект может быть интерпретирован в терминах взаимодействий между макромолекулярными клубками. А именно, уменьшение размеров полиэлектролитных клубков, вызванное ростом концентрации полиэлектролита (полиэлектролитный эффект) можно интерпретировать в терминах двойных электрических слоев, развивающихся вблизи их поверхности. Когда расстояния между соседними макромолекулами становятся малыми, двойные слои деформируются, обуславливающие растяжение клубка, амплитуда напряженности электрического поля в них падает, а сами клубки уменьшаются в размерах.

Рисунок 3. Отсутствие взаимодействия между клубками в сильно разбавленном растворе полиэлектролита; R0 - радиус клубка, г0 - половина среднестатистического расстояния между макромолекулами (радиус взаимодействия), Д - толщина двойного электрического слоя.

Это иллюстрирует рис. 3, на котором представлена схема взаимодействия высокомолекулярных клубков в водном растворе. Пунктирными линиями показаны двойные электрические слои, развивающиеся вблизи их поверхности. Механизм формирования данных слоев одинаков для всех полимерных систем высшей размерности  и состоит, согласно, в следующем. Низкомолекулярные ионы покидают объем полимерного объекта (кпубка, сетки и т. д.) под воздействием теплового движения. При этом в объеме объекта остается некомпенсированный электрический заряд противоположного знака, образованный, как правило, совокупностью зарядов функциональных групп полимера.

Остаточный заряд притягивает низкомолекулярные ионы и не позволяет им отойти от поверхности клубка (или иной полимерной системы) на значительное расстояние. В итоге формируется слой, амплитуда которого определяется балансом между диффузионной (тепловой) и направленной (электрической) составляющими потока.

2. Изучение воздействия магнитных полей на биомодельные системы представляет значительный интерес, например, с точки зрения интерпретации воздействия магнитного поля на организм человека или другие биологические объекты. Интерес к этой задаче в последние годы вновь привлекает повышенное внимание, в частности, в связи с результатами, полученными в ходе экспериментов на борту космических аппаратов.

Именно поэтому коллапс геля представляет интерес для рассматриваемой проблемы, поскольку именно в этом процессе легче всего практически реализовать движение сетки, то есть имитировать биологические объекты, находящие в условия, удаленных от равновесия. В результате для целей биомоделирования, в том числе, для интерпретации результатов космических экспериментов, а также для интерпретации воздействия геомагнитного поля на здоровье человека, актуальным является изучение поведения гидрогелей под воздействием комбинации электрического и магнитного полей.

Экспериментальные исследования такой неравновесной системы были впервые проведены сравнительно недавно. В частности, экспериментальные данные, полученные с использованием гидрогелей, находящихся в состоянии равновесия, показывают, что в этом случае заметный отклик может иметь место только тогда, когда в исследуемый образец искусственно вводятся магнитоактивные компоненты. Принципиально иная ситуация реализуется когда отклонение системы от равновесия, вызванное внешним электрическим током велико.

  Таким образом, магнитное поле приводит к увеличению скорости коллапса гидрогеля. Однако следует заметить, что этот эффект тем заметнее, чем больше скорость, движения границы. Следовательно, рассматриваемый эффект, в определенном смысле, имеет положительную обратную связь. Чем выше скорость, тем сильнее проявляется воздействие магнитного поля, которое в свою очередь снова приводит к увеличению скорости контракции.

2. Практические занятия

№	Практические занятия	Количество часов
1	Физиологическая активность биополимеров (ферментов, гормонов, белков гепарина)	1
2	Свойства физиологически активных полимеров (ФАП)	1
3	Стратегии синтеза ФАП	1
4	Полимерные производные ФАВ	1
5	Синтез полимерных производных белков	1
6	Особенности корпускулярных ФАП	1
7	Взаимодействие биоматериал – организм	1
8	Имплантанты в медицине	2
9	Полимерные хемоэлектромеханические преобразователи энергии	2
10	Принципы нанотехнологии и биомоделирования	2
11	Стимул-чувствительные полимеры	2

3. Самостоятельная работа магистрантов

1. Полимерные переносчики кислорода

2. Иммобилизация физиологически активных соединений на полимерных материалах

3. Гемосовместимость физиологически активных соединений

4. Синтетические аналоги нуклеиновых кислот

5. Биодеструктируемость ФАП

6. Полимерные производные витаминов и коферментов

7. Комплексы синтетических полимеров с белками и конструирование искусственных антигенов и вакцин.

8.  Полимерные производные антибактериальных веществ

9.  Молекулярно-сшитые белки

10. Оценка биосовместимости полимеров

11. Тканевая инженерия

12. Преобразователи энергии на основе электропроводящих полимеров

13. Особенности применения полимерных материалов в медицине

14. Полимеры медико-технического назначения

15. Полимеры направленного биологического действия