Введение к работе
Актуальность темы исследования
Процессы ионно-плазменной обработки в вакууме обеспечивают высокий уровень решения многих технологических задач как при производстве изделий электронной техники, так и для получения модифицированных материалов на основе полимеров с наноструктурированной поверхностью (НСП), обладающих селективными антимикробными характеристиками, для применения в электронной технике, медицине, биотехнологии.
Необходимость придания антимикробных свойств поверхности полимеров связана, во-первых, с проблемой повышения стойкости к биодеструкции, актуальность которой постоянно возрастает практически во всех сферах деятельности. В настоящее время установлено, что основными возбудителями являются мицелиальные грибы и бактерии, на долю которых приходится не менее 20 % повреждений. Во-вторых, наличие антимикробных свойств поверхности полимерных материалов кроме борьбы с биодеструкцией изоляции электронных блоков, например, космических станций, также может быть использовано при создании «чистых» комнат для производства электронных средств. В свою очередь придание антимикробных свойств требуется при использовании полимеров и изделий из них в медицине, поскольку такое решение позволит создавать новые изделия медицинской техники и модифицировать существующие, а также активно бороться с госпитальными инфекциями.
Целесообразность применения ионно-плазменных методов для создания НСП полимеров объясняется высокой разрешающей способностью данных методов, возможностью контроля параметров процессов, возможностью воздействовать только в приповерхностном слое материала (1-100 нм). Применение ионно-плазменных методов обработки и модификации поверхности оказывает воздействие на параметры поверхности полимеров (химический состав, геометрические и энергетические характеристики).
По темпам роста потребления в настоящее время полиэтилентерефталат (ПЭТФ) является наиболее часто применяемым полимерным материалом. Поэтому актуальную задачу комплексного управления поверхностными свойствами полимерных материалов за счет наноструктурирования их поверхности можно исследовать на примере ПЭТФ. Кроме того, сейчас появляются новые полимерные материалы отличающиеся как по свойствам, так и по применению. К таким полимерам относятся биодеградируемые полимеры, в частности - хитозан, который уже сейчас широко используется в технике и технологии и применение которого постоянно возрастает.
Появления новых селективных и регулируемых биологических свойств можно добиться используя сочетание двух фрагментов - фуллеренового сфероида и гетероциклического фрагмента (хинолин, индол). При использовании химически активных соединений, таких как органические производные фуллерена Сбо, воздействие по большей части оказывается на химический состав. При этом наноструктурирование поверхности (НСП) полимеров увеличивает адгезию наносимых органических производных фуллерена Сбо-
Таким образом, работа направлена на решение вопросов, связанных с возможностью придания с помощью ионно-плазменных методов селективных
антимикробных свойств поверхности полимерных материалов с НСП, модифицированной углеродными пленками и органическими производными фуллерена Сбо с фрагментами индола и хинолина.
Степень разработанности
По модификации поверхности различных полимерных материалов опубликовано большое число работ, но очень часто в них решается узкий круг вопросов. Необходим комплексный подход для решения появляющихся вопросов по установлению причинно-следственной связи возникающих эффектов.
Цель и задачи
Целью работы является разработка технологии получения и исследование свойств нанокомпозитных материалов, полученных наноструктурированием поверхности синтетических и природных полимеров ионно-плазменными методами и последующим модифицированием их органическими производными фуллерена Сбо, исследование возможности их применения.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Разработка технологии получения нанокомпозитных материалов: хитозан - Сбо-индол, хитозан - Сбо-хинолин, ПЭТФ - Сбо-индол, ПЭТФ - Сбо-хинолин.
-
Исследование физико-химических свойств поверхности нанокомпозитных материалов, полученных ионно-плазменным наноструктурированием поверхности хитозана с различной молекулярной массой, с использованием различного ионно-плазменного оборудования, и модифицированных органическими производными фуллерена Сбо-индол и Сбо-хинолин.
-
Исследование физико-химических свойств поверхности нанокомпозитных материалов, полученных ионно-плазменным наноструктурированием поверхности ПЭТФ и модифицированных органическими производными фуллерена Сбо-индол и Сбо-хинолин.
-
Исследование возможности применения разработанных материалов и технологии их формирования в электронной технике и медицине.
Научная новизна:
-
Разработаны новые многокомпонентные полимерные наноматериалы на основе объединения наноструктурированной поверхности синтетических (ПЭТФ) и природных (хитозан) полимеров и органических производных фуллерена Сбо с фрагментами индола и хинолина.
-
Впервые для получения полимерных нанокомпозитных материалов в качестве модификатора были применены органические производные фуллерена Сбо и проведены исследования механизма осаждения производных фуллерена Сбо на НСП полимеров.
-
Установлено и подтверждено влияние наноструктурированной поверхности полимера на активность фуллереновых модификаторов.
-
Впервые проведены комплексные исследования физико-механических, адгезионных и энергетических свойств, геометрических характеристик, химического состава поверхности хитозана с различной молекулярной массой при использовании различных методов ионно-плазменной обработки.
-
Установлена возможность обеспечения селективного антимикробного действия НСП ПЭТФ, модифицированного органическими производными фуллерена Сбо на
конкретные микроорганизмы. Установлено влияние нанокомпозитного материала на основе ПЭТФ на жизнеспособность клеток ЭПНТ-5.
6. На основании бактериологических исследований (бактерии Burkholderia cepacia) установлено, что хитозан (ММ 500 кДа и СДА 78%), хитозан с НСП и хитозан с НСП, модифицированный производным фуллерена Сбо-хинолин, проявляют стойкость к биодеструкции, тогда как на структуре с индольным производным наблюдается некоторый рост биопленки.
Теоретическая и практическая значимость работы:
-
Создана технология получения поверхности полимеров, обладающей селективным антимикробным воздействием, которая открывает возможность создания изделий, как стойких к биодеструкции, так и активных к конкретным микроорганизмам (например, микробициды).
-
Разработанная технология может быть использована при создании «чистых» комнат для производства изделий электронной техники, а также для профилактики госпитальных инфекций.
3. Совместно с механическим факультетом Казанского национального
исследовательского технологического университета (ФГБОУ ВПО «КНИТУ») и
ЗАО «ФЕРРИ ВАТТ» (г. Казань) были сконструированы и изготовлены образцы
вакуумного оборудования для придания антимикробной активности полимеров за
счет наноструктурирования поверхности.
-
Результаты работы внедрены в учебный процесс подготовки магистров по направлению «Конструирование и технология электронных средств».
-
Научные и практические результаты диссертационной работы взяты за основу научной работы Российского научного центра восстановительной медицины и курортологии Росздрава с прикладным выходом по созданию изделий медицинского назначения.
Методология и методы исследования:
В диссертационной работе применялись современные методы обработки, модификации и исследования свойств полимерных материалов. Полимерные материалы обрабатывались тремя различными методами: с помощью источника ионов ИИ-4-0,15, плазмохимической установки "Плазма-600Т", установки ВЧ диодной обработки. Модификация поверхности НСП полимеров органическими производными проводили с помощью метода spin coating. Для изучения параметров поверхности использовались современные методы исследования: масс-спектрометрический метод; высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ); сканирующая зондовая микроскопия; метод смачивания; рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (РФЭС); метод определения предела прочности на разрыв; аппликационный метод для исследования антимикробной активности; бактериологический метод для определения стойкости к биодеструкции; микротетразолиевый метод и определение индекса пролиферативности для исследования активности культур клеток.
Положения выносимые на защиту:
-
Основные закономерности процессов наноструктурирования модельных полимеров ионно-плазменными методами и модифицирования органическими производными фуллерена Сбо; комплексное исследование параметров рельефа наноструктурированных полимеров, состава поверхности и энергетических характеристик.
-
Основные закономерности процессов формирования модифицированных НСП, полученных нанесением углеродных пленок различной толщины (10-100 нм) и органических производных фуллерена Сбо на НСП полимеров; результаты комплексного исследования параметров рельефа, состава поверхности, энергетических характеристик нанокомпозитных материалов.
-
Результаты исследования физико-механических, энергетических свойств, геометрических характеристик, химического состава поверхности хитозана с различной молекулярной массой при использовании различных методов ионно-плазменной обработки.
-
Результаты исследования антимикробной активности поверхности нанокомпозитных полимеров, исследование селективного воздействия на различного рода микроорганизмы (грамположительные бактерии (Staphylococcus aureus), грамотрицательные бактерии (Escherichia coli и Pseudomonas aeruginosa), грибы вида Candida albicans). Результаты бактериологического исследования на поверхности нанокомпозитных материалов: хитозан - Сбо-индол, хитозан - Сбо-хинолин.
-
Результаты исследования активности культур клеток ЭПНТ-5 на поверхности нанокомпозитных материалов ПЭТФ, ПЭТФ с НСП, модифицированного углеродной пленкой и ПЭТФ - Сбо-индол, ПЭТФ - Сбо-хинолин.
Степень достоверности и апробация результатов:
Достоверность экспериментальных данных обеспечивается использованием современных средств и методик проведения исследований и подтверждается паспортными данными используемых приборов, методической погрешностью метода исследования.
Достоверность теоретических результатов работы подтверждается экспериментальными данными, представленными в известных научно-технических работах.
Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на 3-ей, 4-ой студенческих научно-технических конференциях «Вакуумная техника и технология» (Казань, 2007, 2009 гг.); XXXIII, XXXVI Международной молодежной научной конференции «Гагаринские чтения» (Москва, 2007, 2010 гг.); XIV, XV, XVI, XVII, XVIII, XIX научно-технических конференциях «Вакуумная наука и техника» (Сочи, 2007, 2008, 2009, 2010; Украина, г. Судак 2011, 2012 гг.); XIII, XIV, XV, XVI, XVII, XVIII Международных научно-технических конференциях «Высокие технологии в промышленности России» (Москва, 2007,2008,2009, 2010, 2011, 2012 гг.); III, IV, V, VI, VII, VIII Международных научно-технических конференциях «Вакуумная техника, материалы и технология» (Москва, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012, 2013 гг.); Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии - НМТ 2008» (Москва, 2008 г.); Международной научно-технической школе конференции «Молодые ученые - науке, технологиям и профессиональному образованию» (Москва, 2008
г.); научно-технических семинарах «Вакуумная техника и технология» (Санкт-Петербург, 2009, 2012 г.г); XVI Международном конгрессе по реабилитации в медицине и иммунореабилитации (ОАЭ, Дубай, 2009 г); IV Всероссийской конференции «Актуальные проблемы химии высоких энергий» (Москва, 2009 г.); 8-ой международной конференции «Высокие медицинские технологии XXI века» (Испания, Бенидорм, 2009, 2010 гг.); Twelfth International Conference on Plasma Surface Engineering (Germany, Garmish-Partenkirchen, 2010); Всероссийском конкурсе научных работ бакалавров и магистрантов (г.Саратов, 2010 г.); XXXV академических чтениях по космонавтике (Москва, 2011 г.); 10-й Юбилейной Всероссийской с международным участием научно-технической конференции «Быстрозакаленные материалы и покрытия» (Москва, 2011 г).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 59 печатных работ. В том числе 9 статей опубликованы в журналах, включенных в перечень изданий ВАК РФ («Вакуумная техника и технология», «Нано- и микросистемная техника», «Аллергология и иммунология», Вестник СГТУ, «Приборы»).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 107 наименований и приложения. Общий объем диссертации составляет 157 страниц. Диссертация содержит 77 рисунков и 31 таблицу.
Личный вклад автора
Автор принимал участие в разработке технологии получения пленочных образцов хитозана и технологии получения полимерных наноструктурированных материалов, сформированных ионно-плазменными методами и модифицированных органическими производными фуллерена Сбо с фрагментами индола и хинолина.
Автором был выполнен большой объем работ по расчету и анализу геометрических характеристик, обобщение результатов экспериментальных исследований характеристик НСП полимеров. Исследования образцов проводились совместно с кафедрой органической химии химического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова, Институтом элементоорганических соединений (ИНЭОС РАН) им. А.Н.Несмеянова, ФГУП «НИИВТ им. С.А. Векшинского», Лабораторией культур клеток ФГБУ «НИИ вирусологии им. Д.И.Ивановского РАМН», Клинико-диагностической лабораторией ГКБ им. С.П.Боткина.
