Ежегодно во всем мире проводится от 3,5 до 4 миллионов операций с использованием материалов для восстановления костей.Это второе по популярности направление после переливания крови, которое в 10 раз чаще, чем трансплантация других органов.В таких имплантатах используются специальные наноматериалы, похожие на “губки” с маленькими отверстиями.Благодаря порам они обладают огромной поверхностью и уникальными свойствами, которые делают их незаменимыми не только в медицине, но и в экологии и химии — они прекрасно фильтруют воду, ускоряют химические реакции в промышленности и даже используются для создания сверхлегких и прочных материалов.Существующая технология создания таких наноматериалов требует больших затрат времени и энергии.Ученые Пермского политехнического института нашли более быстрый и дешевый способ изготовления таких структур, который не требует дополнительных реагентов и примесей.
Нанопористые материалы отличаются от обычных материалов тем, что в них много маленьких отверстий.Благодаря этому они могут поглощать вещества и ускорять химические реакции. Размер пор можно регулировать таким образом, чтобы улавливать определенные молекулы — например, для очистки воды от примесей металлов.Но в то же время структура остается легкой и прочной.Одним из таких наноматериалов является фосфат магния, который по составу близок к человеческой кости.
Для изготовления обычного наноматериала из фосфата магния, то есть для создания внутри него пористой структуры, традиционно используется метод “снизу вверх”. Он заключается в том, что к поверхностно-активному веществу (ПАВ) добавляют фосфат магния.
“Поверхностно-активные вещества создают оболочку вокруг растущих наночастиц, отталкивая их друг от друга и препятствуя их слиянию.Они действуют как “узоры”, вокруг которых образуются поры.После синтеза поверхностно-активные вещества удаляются растворителями или испаряются, оставляя только нанопористую структуру”, – говорит Юлия Кузнецова, доцент кафедры химии и биотехнологии ПНИПУ, кандидат технических наук.
Все эти процессы отнимают дополнительное время и энергию, которые тратятся на удаление поверхностно-активных веществ. Кроме того, они могут быть токсичными, а поры могут быть неоднородными. Это влияет на сорбционную способность материала, то есть он станет худшим сорбентом или носителем в биомедицине.Ученые Пермского политехнического предложили другой метод, который позволил бы сэкономить ресурсы при получении подобных структур.
“Для создания наноматериала из фосфата магния мы использовали метод “сверху вниз”. Это процесс, при котором вещество приобретает пористую структуру после нагревания.Для формирования наноматериала из кристаллов фосфата магния мы выбрали оптимальную температуру и время нагрева: при 90°C в течение 2 часов 40 минут.Это позволило воде, содержащейся в фосфате магния, испариться и оставить поры размером 5-10 нм (нанометров).В результате без дорогостоящих и токсичных добавок удалось получить материал с большой площадью поверхности, которая выросла до сотен м2/г. большая площадь поверхности материала важна для его хороших сорбционных и каталитических свойств”, – комментирует Ирина Пермякова, доцент кафедры химии и биотехнологии ПНИПУ, кандидат технических наук.
Технология “сверху вниз” практически не изучена, но она превосходит технологию “снизу вверх” в том, что не требует дополнительных реагентов и многоступенчатых процессов.Благодаря этой технологии размер пор можно регулировать, изменяя состав исходного материала.
Исследование ученых Пермского политеха не только доказывает возможность применения этой методики для экономичного создания наноматериалов, но и поможет снизить стоимость систем очистки промышленных сточных вод, производства медицинских имплантатов и создания эффективных катализаторов. Этот метод также будет опробован на других соединениях.