Проекты

Исследование влияния морфологических характеристик на механические свойства высокопористых материалов на основе полилактида для регенеративной медицины

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Курчатовский проект – от знаний к практике, от практики к результату» в секции «Поиск» среди работ учащихся 8−9 классов

Направление работы: Материаловедение
Авторы работы: ГБОУ Школа № 1582
Предметы: Биология, Химия
Классы: 8 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Курчатовский проект – от знаний к практике, от практики к результату» 2020 года

Актуальность

В последнее время разрабатывается большое количество материалов для

регенеративной медицины на основе биоразлагаемых полимеров. В своей

работе авторы выбрали полимер полилакти́д, который является

биосовместимым и биоразлагаемым. Полилактид применяют в медицине: из него изготавливают винты для фиксации перелома, шовные нити, капсулы для доставки лекарств.

Высокопористые или губчатые материалы - это система взаимосвязанных пор, на которой крепятся и размножаются клетки организма. Важными параметрами при этом являются пористость и размер

пор. Так как губчатые материалы используют вместо поврежденного органа, то необходимо добиться максимально близкой прочности материала к заменяемому органу. Прочность напрямую зависит от структуры материала. Поэтому выявление взаимосвязи между ними является актуальной задачей.

Цель

Экспериментально установить зависимость механических характеристик от морфологических свойств высокопористых материалов на основе полилактида.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Поли-L-лактид 4032D («NatureWorks», США)
  • 1,4-Диоксан, чистый для анализа (ООО «Компонент-реактив», Россия) с массовой долей основного вещества не менее 99,5 масс.%
  • Аналитические весы (ВЛ-124, дискретность 0,0001 г)
  • Магнитная мешалка (ООО ЭКОПРИБОР, Россия)
  • Лиофильная сушилка Alpha 1-2 LDplus (Германия)
  • Оптический микроскоп Levenhuk MED 1700T (США)
  • USB-микроскоп МИКМЕД 2.0 (Россия)
  • Среда БТН-агар (питательный агар)
  • Термостат ТС 20

Описание

Этапы работы.

1. Вначале авторы приготовили растворы полилактида с концентрацией от 1 до 8 масс.% в диоксане. Затем разлили растворы в формы по 10 мл и поставили в холодильник охлаждаться.

2. Охлажденные растворы заморозили в морозилке, после чего поместили их в лиофильную сушилку. Таким образом, авторы получили цилиндрические высокопористые материалы (губки).

3. У полученных губок авторы измерили следующие параметры: массу, высоту, радиус. Затем рассчитали объем, плотность упаковки и пористость. Авторами был сделан вывод о влиянии концентрации полимера на пористость губок.

4. Полученные губки авторы разрезали на тоненькие кусочки и посмотрели в оптический микроскоп, сделали по 5-8 фотографий. Фотографии были получены в режиме проходящего света с помощью программы ToupView. Авторы обрабатывали результаты в программах ScopePhoto и OriginPro 8.1. После обработки авторы определили средний размер пор и погрешность, построили диаграммы распределения размеров пор.

5. С помощью usb-микроскопа МИКМЕД 2.0 и собранной авторами установки, удалось измерить краевой угол смачивания губок. Обработку результатов авторы проводили в программе ScopePhoto.

 

 

6. Авторы провели механические испытания на сжатие образцов с помощью конструкции, напечатанной на 3D-принтере в НИЦ «Курчатовский институт». По формулам, авторы рассчитали модуль Юнга для всех образцов, построили графики.

7. На последнем этапе авторы наблюдали за ростом колоний бактерий на исследуемых материалах, в течении недели.

8. Авторы проанализировали и обобщили все результаты экспериментов в соответствующих таблицах и на диаграммах.

Результаты работы/выводы

 

  1. В данной исследовательской работе были получены высокопористые материалы на основе полимера полилактида с концентрациями в диапазоне 1 – 8 масс.% методом лиофилизации.
  2. Исследованы структурные параметры образцов: пористость, плотность, средний диаметр пор. Доказано, что с увеличением процента полимера пористость уменьшается. Обнаружено, что при низкой концентрации, полимера недостаточно для формирования стенок пор, при высоких – наоборот, полимера слишком много. Оптимальной концентрацией оказалась 3 масс.%.
  3. Исследованы поверхностные свойства пористых образцов. Установлено, что полилактид – гидрофобный материал.
  4. Исследованы механические характеристики пористых образцов, посчитан модуль Юнга. Оказалось, что увеличение пористости (снижение концентрации полимера) приводит к снижению модуля упругости, а значит снижается жесткость материала.
  5. Эксперимент по взаимодействию бактерий и пористого материала показал, что под образцами с меньшей концентрацией колонии бактерии развиваются лучше, чем под образцами с большей концентрацией.

Перспективы использования результатов работы

Данная работа будет продолжаться далее, будут исследованы другие полимеры и сополимеры, определены механические характеристики высокопористых материалов на их основе и результаты данной работы пригодятся для сравнения с новыми.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

НИЦ «Курчатовский институт».

Награды/достижения (в каких конкурсах и с какими результатами выставлялась ранее эта работа)

Конференция «Наука для жизни». Секция «Прикладная химия. Материаловедение»- призеры.

Мнение автора

«По мнению авторов, приобретен опыт проведения исследований с  использованием различных приборов, навыки обработки результатов»