Исследования лаборатории Керамические и природные наноматериалы

Керамические и гибридные наноматериалы
В современной технике неуклонно возрастает роль пористых проницаемых материалов для разделения и очистки различных сред, извлечения целевого компонента, и в том числе макро- и мезопористых материалов, применяемых в качестве селективных мембранных материалов, сорбентов и элементов электрохимических ячеек.
 

Макропористая керамика с мезопористыми слоями из наночастиц и нановолокон
Особое внимание в настоящее время уделяется исследованию различных композиционных материалов, поскольку даже незначительное введение модификатора в систему может кардинально менять исходные свойства. Особым классом таких уникальных материалов являются гибриды на основе углеродных нанотрубок и нановолокон. С момента открытия в конце прошлого века УНТ и УНВ привлекают внимание благодаря уникальным физико-химическим свойствам: механическая и температурная стойкость, электропроводность, отличные оптические показатели.

Гибридные материалы на основе углеродных нановолокон и керамических наночастиц
Керамические нанотехнологии для предотвращения и ликвидации техногенных катастроф
В настоящее время для проведения аварийно-спасательных работ по пожаротушению применяются огнетушащие вещества, характеризующиеся различным свойствами и способами воздействия на процесс горения. В соответствии со способами прекращения горения огнетушащие вещества подразделяются на: охлаждающие, разбавляющие, изолирующие, ингибирующие, причём вещества, реализующие прекращение горения несколькими способами одновременно, считаются наиболее эффективными. К числу таких веществ относятся огнетушащие составы на основе мелкодисперсных негорючих неорганических материалов. 
Огнетушащая способность дисперсных частиц повышается пропорционально корню квадратному от их дисперсности, поэтому применение золей неорганических систем повышает эффективность огнетушащих веществ. При попадании на поверхность с высокой температурой мицеллы частиц золя претерпевают процесс дегидратации и переходят в твердые частицы с большей поверхностью, в процессе чего происходит интенсивное охлаждение зоны горения. Виден огромный потенциал использования мезопористых керамических наноматериалов в качестве огнетушащих веществ, в том числе из-за образования высокоплавких веществ, устойчивых к высоким температурам. Прекурсоры для создания таких огнетушащих композиций на основе оксидов металлов характеризуются высокой степенью биодеградации и низкой стоимостью, что делает их приемлемыми для широкого спектра применений. Термическое разложение гидроксидных фаз способствует образованию высокоорганизованной, пористой и термостойкой керамической структуры оксидов металлов.

Формирование мезопористого керамического слоя на поверхности очага возгорания
Керамические материалы в медицине
Разработка комплексного подхода к созданию керамических многофункциональных нанорадиосенсибилизаторов для лучевой терапии онкологических заболеваний является амбициозной научной задачей.
Лучевая терапия позволяет производить как радикальное, так и паллиативное лечение до 60% пациентов с различными злокачественными новообразованиями. Несмотря на совершенствование медицинского оборудования и развитие алгоритмов дозиметрического планирования, а также новых подходов к лучевой дозиметрии (что в общем позволяет значительно увеличить точность доставки дозы ионизирующего излучения в опухоль), существует проблема довольно узкого терапевтического окна лучевой терапии, ограниченного дозовой нагрузкой на нормальные ткани и радиорезистентностью некоторых типов опухолей.
Существующие стратегии оксигенации опухоли, локальной гипертермии, комбинированного воздействия ионизирующего излучения с химиотерапевтическими препаратами значительно проигрывают нанотехнологическим подходам по возможности комплексного воздействия на опухолевые клетки. Среди химических модификаторов дозы керамические нанорадиосенсибилизаторы выгодно выделяются, поскольку способны успешно преодолевать биологические барьеры и избирательно накапливаться в опухолевых клетках, обладают контролируемой токсичностью, биоинертностью, а также могут быть использованы в качестве контрастных агентов для компьютерной томографии (КТ, МРТ), что полезно для таких модальностей лучевого лечения как IGRT. Механизм их действия основан на поглощении энергии ионизирующих фотонов и усилении прямого (за счет испускания вторичного излучения) и непрямого (усиление генерации активных форм кислорода) действия ионизирующего излучения.
Этот инновационный подход позволяет расширить терапевтическое “окно” лучевой терапии, а противоопухолевый эффект может быть получен при более низкой суммарной очаговой дозе.
 

Микрофотографии керамических наночастиц – новых радиосенсибилизаторов

Нанобиоархитектоника
Базой научного направления Нанобиоархитектоники является изучение механизмов формирования надмолекулярных соединений между структурными предшественниками белков, пептидов и полисахаридов с неорганическими наночастицами с целью создания функциональных органо-неорганических нанокомпозитов. Это подразумевает применение мультидисциплинарного подхода, с использованием методов квантово-механического моделирования, неорганического материаловедения, биохимии и биоинжиниринга, в том числе ботаники и энтомологии. Комплексный подход подразумевает под собой несколько основных направлений развития: разработку методик получения биосовместимых неорганических структурных элементов - комплексообразователей с молекулами биологического происхождения; создание отсутствующего на данный момент теоретического фундамента, описывающего особенности взаимодействия субъединиц биополимеров с отдельными наночастицами и варианты их координирования, механизмов конформационных перестроек.
Шелк паука обладает превосходными механическими свойствами по сравнению с синтетическими полимерами с аналогичным химическим составом из-за своей иерархической структуры, частично состоящей из кристаллических ориентировано расположенных нанофибрилл. Несмотря на интенсивные исследования в этой области, полное понимание структурной организации нитей паутины и то, как это соотносится с экстраординарными макроскопическими свойствами, отсутствует. Известно, что при изменении внешних условий или при взаимодействии с различными наночастицами происходят конформационные перестройки в биомолекулах. Это открывает возможность создания материалов с уникальными свойствами. Разработка новых гибридных, биосовместимых материалов является приоритетным направлением исследования. В качестве основных результатов планируется создание гибридных материалов на основе полимерных биомолекул и неорганических наночастиц для нужд регенеративной медицины.

От живого организма к гибридным материалам