Методы формирования упорядоченных структур из полимерных микросфер размерами 6-250 мкм Абдуллаев Собир Дилшодович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1 Метод формирования упорядоченной структуры . 32

Формирование упорядоченной структуры. 35

Материалы. 35

Подготовка и очистка микросфер 35

Методы исследования Метод приготовления суспензии 36

Структура и критерий качества полученных упаковок 36

Влияние метода нанесения суспензии на качество упорядоченных структур. Влияние исходного состава суспензии на качество упорядоченных структур. Перенос и прикрепление микросфер с поверхности воды на твердую поверхность . 53

Закрепление микросфер на подложке. 58

Механическая прочность упорядоченных структур. 61

Выводы к главе 1 63

Глава 2. Механизмы формирования упорядоченных структур из полимерных микросфер диаметрами 6 – 250 мкм . 66

Капиллярные силы притяжения между микросферами. 73

Конвекция Марангони-Гиббса и конвекция Рэлея-Бенара при разных концентрациях этанола в исходной суспензии. 76

Заключение ко второй главе. 79

Глава 3. Применение упорядоченных структур из полимерных микросфер . 80

Применение упорядоченной структуры для физического моделирования фотонных кристаллов . 80

Применение упорядоченных структур в качестве систем пассивной передачи терагерцового излучения. 88

Применение упорядоченных структур в биологии и медицине. 91

Применение упорядоченных структур в качестве подложек для формирования искусственных биологических тканей и органов . 92

Выводы к третьей главе 94

Заключение 95

Основные выводы: 96

Список литературы 97

• Структура и критерий качества полученных упаковок
• Влияние метода нанесения суспензии на качество упорядоченных структур. Влияние исходного состава суспензии на качество упорядоченных структур. Перенос и прикрепление микросфер с поверхности воды на твердую поверхность
• Применение упорядоченной структуры для физического моделирования фотонных кристаллов
• Применение упорядоченных структур в качестве подложек для формирования искусственных биологических тканей и органов

Введение к работе

Актуальность работы.

В последние десятилетия активно разрабатываются вопросы формирования упорядоченных структур из полимерных микросфер. Существующие способы в основном позволяют получать 3D упорядоченные структуры из микросфер малых размеров (до 6 мкм). Упорядоченные структуры из микросфер размерами менее 6 мкм применяют как новые материалы в качестве «фотонных кристаллов» в различных областях химии, медицины, биологии. Структуры из микросфер размерами более 250 мкм представляют большой интерес для фундаментальной науки, они служат моделями в процессах исследований жидкостей и газов. Крупные размеры микросфер позволяют визуально наблюдать, моделировать и исследовать процессы кристаллизации, плавления, течения, перемешивания и зародышеобразования. Однако вне фокуса научных исследований, до сих пор остаются упорядоченные структуры из полимерных микросфер размерами 6-250 мкм и методы их формирования. Подобные структуры могут быть использованы в качестве матриц или подложек, на которых можно осуществлять рост клеток для получения искусственных тканей в регенеративной медицине и тканевой инженерии.

Развитие данной темы представляется актуальным главным образом потому, что потенциальный диапазон использования таких упорядоченных структур значительно шире биомедицинской тематики, подобные структуры перспективны для использования во многих других областях химии, физики и ряда инженерных дисциплин, таких как хроматография, микрофлюидика, медицинские тест-системы, а также в фотонике и радиоэлектронике.

Приложения упорядоченных плоских структур связаны с методами их формирования. Для практического применения такие структуры должны использоваться на площадях более десяти см², образовывать упаковку за небольшое время (менее 10 с) и не требовать дорогостоящего оборудования для их получения.

Прямое копирование методов, используемых при образовании структур из микросфер размерами менее 6 мкм и более 250 мкм, не приводит к образованию упаковок интересующего диапазона. Задача их формирования из микросфер размерами 6-250 мкм является самостоятельной задачей, требующей новых подходов.

Работа выполнена при поддержке Госзадания РФ (проект № 13.3140.2017/ПЧ)

Цель и задачи работы.

Целью настоящей работы является разработка новых методов формирования упорядоченных структур путем самоорганизации полимерных микросфер с узким распределением частиц по размерам с диаметрами 6-250 мкм на твердой поверхности.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

Разработать принципы и определить методы формирования плоской упорядоченной структуры из полимерных микросфер с узким распределением частиц по размерам с диаметрами 6-250 мкм;

Исследовать структуру и морфологию полученных упаковок, найти критерии качества упорядоченных структур;

Выявить физико-химические неравновесные процессы, протекающие на поверхности жидкости, при формировании упаковок из полимерных микросфер с диаметрами в интервале 6-250 мкм;

Определить влияние состава дисперсионной среды при образовании упаковок из полимерных микросфер различных размеров (6, 20, 31, 55, 110 мкм);

Разработать способ переноса и закрепления упорядоченных структур на твердой поверхности;

Выявить области применения упорядоченных структур из полимерных микросфер с диаметрами в интервале 6 - 250 мкм.

Научная новизна

1. Найден новый метод формирования упорядоченной 2D структуры из
полистирольных микросфер диаметрами в интервале 6-250 мкм;

1. Впервые реализован метод формирования монослойной упорядоченной структуры из полимерных микросфер с диаметрами в интервале 6-250 мкм на поверхности жидкой фазы путем их самоорганизации;

2. Разработан и реализован метод перенесения и закрепления плоской структуры из микросфер на твердой поверхности;

3. Разработаны методы оценки степени упорядоченности полученных упорядоченных структур.

4. Показано влияние исходного состава водно-этанольной суспензии микросфер на степень упорядоченности упаковок;

5. Выявлены основные механизмы переноса потоков вещества при формировании упорядоченных структур;

6. Впервые решена задача по физическому моделированию процессов деградации селективного отражения от поверхности фотонных кристаллов.

Практическая значимость.

Полученные структуры апробированы как матрицы для роста клеток в искусственных тканях, тест – системы для разделения биообъектов на порах полученных упаковок, структуры для моделирования процессов в «фотонных кристаллах» (ФК), устройства для радиофотоники.

Полученные результаты были использованы в лаборатории морфологии ФГБУ ФНКЦ ФХМ ФМБА России для разработки методов получения моно - и многослойных пленок из плотно упакованных полимерных микросфер различных диаметров и способов выращивания на них клеточных культур.

Полученные упорядоченные структуры были использованы для физического моделирования датчиков токсических веществ на основе фотонных кристаллов, с помощью упаковок из микросфер размерами 6 – 213 мкм была смоделирована динамика деградации спектрального отражения от поверхности ФК при превышении количества анализируемого вещества выше критического.

Было предложено использовать в качестве фазированных антенных решеток в
терагерцовой области частот плоские упаковки из микросфер диаметрами 6 – 250 мкм. Эти
приложения актуальны для радиолокации, биомедицинских приложений и

материаловедения.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод формирования 2D плотной гексагональной структуры из полистирольных микросфер с узким распределением частиц по размерам с диаметрами 6-250 мкм путем самоорганизации на поверхности жидкой фазы на площади более десяти квадратных сантиметров;

2. Метод перенесения и закрепления структур с плотной упаковкой на твердой поверхности в качестве матрицы для целей тканевой инженерии и регенеративной медицины;

3. Критерий качества полученных упорядоченных структур – наибольшая площадь из бездефектно упакованных микросфер в области поля зрения анализируемого изображения;

4. Влияние метода нанесения суспензии на качество упаковки регулярных структур из полимерных микросфер;

5. Влияние концентрации этанола в исходной водно - этанольной суспензии на качество упаковки регулярных структур из полистирольных микросфер;

6. Метод перенесения и закрепления плоских упорядоченных структур с поверхности жидкой фазы (воды) на твердую поверхность с сохранением качества упаковки.

Структура и объем диссертационной работы.

Структура и критерий качества полученных упаковок

На фотографиях видно, что структура полученных упаковок не идеальна. Структура состоит из ряда упорядоченных областей (доменов), внутри которых микросферы уложены в плотную регулярную упаковку, а также областей, внутри которых упаковка отсутствует. Кроме того, дефекты могут содержаться и в самих доменах. Отличие полученных упаковок от идеальной структуры требует введения критериев и методов оценки, позволяющих сравнивать качество (степень упорядоченности) полученных структур. Была предложена оценка качества упаковок микросфер, которая заключалась в следующем:

1. Снимок, полученный на ПЗС матрице видеокамере микроскопа, помещался на поле графической подложки с цифровой сеткой, заданной программой Paint.net.

2. По снимку определялась общая площадь упаковки в поле зрения микроскопа (мм2).

3. Определялись правила проведения линий участков без регулярной упаковки;

4. Определялись правила проведения границ, разделяющих участки (« домены») между собой;

5. Определялись границы участков с отсутствием регулярной упаковки, и рассчитывалась их площадь (мм2).

6. Из общей площади вычиталась площадь всех неупакованных структур.

7. Остальная упаковка считалась правильной (регулярной). При наличии доменной структуры определялись границы каждого домена, и рассчитывалась их площадь.

8. Выбирался домен с максимальной площадью. По площади этого домена и определялась степень упорядоченности (качество) полученной упаковки.

9. Вычислялось отношение площади домена к общей площади регулярной упаковки (%). Данный параметр принимался в качестве критерия качества упаковки (рисунок 13).

На рисунке 13 представлены изображения линий, показывающие границу раздела участков без регулярной упаковки. На рисунке 13а черным цветом выделена линия, соединяющая центры микросфер на изображении, приближенных вплотную к участкам без регулярной структуры. При уменьшении масштаба контур линии, соединяющей вершины крупнозернистой структуры, сглаживается и принимает вид, изображенный красным цветом. Такая сглаженность упрощает расчет площади, занимаемый неупорядоченной структурой [127].

В качестве примера на рисунке 14 представлены фотографии упаковок из полистирольных микросфер (ПМ) диаметром 20 мкм на поверхности воды.

В ходе анализа и полученных изображений упорядоченных структур выделялись области с упорядоченной упаковкой микросфер и области без регулярной упаковки микросфер. Для расчета было определено значение общей площади снимка. Его значение составило 0,906 мм2.

Подробный расчет качества упаковки выполнен на примере изображения упаковки рисунка 14а. Для расчета площади неупорядоченной части структуры (на рисунках не имеет цифрового обозначения), вся площадь разбивалась на участки треугольной и трапецеидальной формы. Площадь области составила 242665 мкм2. Вся остальная площадь была разбита на пять областей, в которых наблюдалась регулярная упаковка микросфер, площади этих упорядоченных областей в процентах представлены в Таблице 1.

Из Таблицы 1 видно, что наибольший домен упаковки рисунка 14 а) составляет 31.2% от всей площади изображения упаковки. По аналогии рассчиталось изображение рисунка 14б. Вычислялся процент максимальной площади регулярной структуры. Для этого, как и в предыдущем случае, все изображение разбивалось на области отсутствия и наличия регулярной структуры. Затем, область с регулярной упаковкой разбивалось на домены с различной площадью, и вычислялся домен с максимальной площадью. По нему оценивалось степень упорядоченности (качество) упаковки данного изображения.

Общая площадь неупорядоченной области составила 0,214 мм2. Вся оставшаяся площадь была разбита на десять упорядоченных областей. Был произведен расчет каждой из площадей и вычислен ее процент по отношению ко всей площади. Результаты представлены в Таблице 1. Из Таблицы 1 видно, что домен, занимающий площадь 16.0% (участок 3, Рис.14 г), от всей регулярной упаковки является максимальным для данного изображения.

Для наглядности Таблицу 1 можно представить в виде гистограммы, изображенной на рисунке 15. На гистограмме видно, что качество регулярной упаковки, представленной на рисунке 14 а, определяемое по вышеизложенному критерию, более чем в 2 раза выше качества упаковки снимка, приведенного на рисунке 14 б, в то время как визуальное сравнение левого и правого изображений не дает ответа о качестве упаковок. На основе проведенных вычислений критерием качества упаковки в данной работе принималась доля площади наибольшего домена упаковки к общей площади участка упаковки (%), усредненная по нескольким ( 10) различным участкам упорядоченной структуры.

Приведенный метод позволял оценивать степень упорядоченности получаемых упаковок. В качестве критерия качества упорядоченной структуры принималась средняя доля площади набольшего домена упорядоченных микросфер, полученная с серии снимков одной упаковки, каждый из которых был снят с площади около 1 мм2.

Влияние метода нанесения суспензии на качество упорядоченных структур.

При проведении экспериментов было выявлено значительное влияние способа нанесения водно-этанольной суспензии из полимерных микросфер на поверхность жидкой фазы.

В работе исследовались три способа нанесения капли суспензии, первый -нанесении капли суспензии из пипетки, второй - нанесение капли суспензии через наклонную плоскость, третий способ заключался в нанесении неподвижной капли суспензии методом ее касанием поверхности жидкой фазы с помощью покровного стекла.

Предпосылками к проведению такого исследования явились статистические данные, что при нанесении водно-этанольной суспензии на поверхность жидкой фазы из пипетки формирование упорядоченных структур происходило примерно в половине случаев. В остальных случаях упорядоченная структура не формировалась, поскольку микросферы из нанесенной капли водно-этанольной суспензии погружались на дно без образования упаковок. Наблюдения показали, что полученные результаты связаны со способом нанесения, а именно - с гидродинамическим ударом капли суспензии при ее выдавливании из пипетки. При этом, из-за неконтролируемого давления, при выдавливании капли из наконечника пипетки достаточно сложно контролировать скорости потока капли при ее ударе о поверхность жидкой фазы. Было отмечено, что уменьшение усилий нажатия приводит к образованию упорядоченных структур с большей вероятностью. Для уменьшения скорости падения капли на поверхность жидкой фазы были предложены еще два метода ее нанесения, первый – нанесение водно-этанольной суспензии методом ее скатывания с наклонной плоскости, и второй - нанесение суспензии с микросферами на поверхность жидкой фазы с методом неподвижной капли. В первом методе капля суспензии наносилась на стекло под наклоном к горизонтальной поверхности жидкой фазы. При этом конец стекла был слегка погружен в объем самой жидкой фазы. Капля суспензии достигала поверхности жидкости, растекаясь по ней. Процессы, возникающие на поверхности и в объеме жидкости, приводили к образованию упорядоченных структур.

Во втором методе капля суспензии наносилась на поверхность стекла, расположенного параллельно поверхности жидкой фазы, после чего неподвижная капля суспензии, расположенная на стекле, касалась этой поверхности. Также как и в предыдущем случае, после касания капли, происходило формирование упорядоченной структуры.

На рисунке 16 приведены снимки упорядоченных структур, полученных при нанесении суспензии следующего состава: полимерные микросферы диаметром 20 мкм составляли 40% массовой доли, вода 40% массовой доли и спирт 20% массовой доли, общий объем капли суспензии составлял 50 мкл. Схожие результаты наблюдались и для микросфер других диаметров: 6, 31, 55, 100 мкм.

При нанесении суспензии с помощью наклонной плоскости или методом неподвижной капли образование упорядоченной структуры происходило во всех случаях нанесения, в отличие от метода нанесения суспензии из пипетки. Также сам метод нанесения суспензии влиял на степень упорядоченности образующихся упорядоченных структур.

Было обнаружено влияние способа нанесения водно-этанольной суспензии из микросфер на степень упорядоченности упаковки на поверхности воды. Исследовались несколько способов нанесения капли суспензии: нанесение из пипетки, нанесение при ее скатывании по наклонной плоскости, касание неподвижной каплей суспензии поверхности жидкой фазы. Методы отличались скоростью капли суспензии в момент касания поверхности воды. Степень упорядоченности возрастает с уменьшением скорости капли (рисунок 17): (1) нанесение из пипетки (скорость капли 1 м/с); - (2) нанесение через наклонную плоскость (скорость капли 0,6 м/с); - (3) нанесение методом неподвижной капли (скорость капли 0 м/с). Степень упорядоченности упорядоченных структур уменьшается с увлечением скорости капли в момент соприкосновения ее с поверхностью воды

Влияние метода нанесения суспензии на качество упорядоченных структур. Влияние исходного состава суспензии на качество упорядоченных структур. Перенос и прикрепление микросфер с поверхности воды на твердую поверхность

Полученные упорядоченные структуры на поверхности воды оказываются неустойчивыми к внешним механическим и тепловым воздействиям окружающей среды. Вследствие этого, их использование в различных приложениях затруднено из-за сложности манипуляций с ними. Для придания этим структурам воспроизводимых механических свойств, необходим их перенос на твердые поверхности с последующим закреплением. Таким образом, образование упорядоченной структуры на твердой поверхности происходит в несколько этапов: сначала формируется упорядоченная структура на поверхности жидкой фазы, после чего происходит перенос структуры на твердую поверхность и закрепление ее на ней.

Перенос осуществлялся методом вытягивания монослоя микросфер на поверхность с помощью наклонной стеклянной пластины. Перед использованием пластина промывалась водой и этиловым спиртом для удаления жирового слоя и других загрязнений.

Осуществляя перемещение пластины методом параллельного переноса под углом к поверхности жидкости, монослой с поверхности жидкой фазы переносился на поверхность пластины, после чего стекло вместе с упаковкой микросфер медленно вынималось из жидкости.

На рисунке 21 представлена схема перемещения стеклянной пластины по двум координатам – в горизонтальном и вертикальном направлениях. Эти движения осуществлялись с помощью предметного столика микроскопа, в котором на вертикально расположенный тубус вместо объектива устанавливалось наклонно расположенное покровное стекло, на поверхность которого и переносилась упаковка. Внизу, под стеклом, на предметный столик микроскопа была установлена чашка Петри с образованной на ее поверхности упорядоченной структурой. Покровное стекло с помощью червячной передачи микроскопа опускалось в воду на край чашки. Затем, вертикально передвигая столик микроскопа и одновременно перемещая чашку Петри в горизонтальном направлении, осуществлялся перенос упакованной структуры из микросфер с поверхности жидкой фазы на поверхность покровного стекла. Скорость перемещения чашки Петри относительно стекла составляла 1мм/с. Такой выбор скоростей перемещения пластины позволял переносить упорядоченные структуры без ухудшения качества упаковки. При увеличении скорости переноса происходил относительный продольный сдвиг микросфер относительно друг друга, что приводило к сдвигу слоев частиц в поперечном (вертикальном) направлении относительно поверхности покровного стекла. Это приводило к образованию многослойных структур, с неравномерным наслоением микросфер друг на друга. В итоге образовывались структуры, в которых имелись моно-, би- и мульти слои из полимерных микросфер, как показано на рисунке 22.

Стоит отметить, что перенос упорядоченных структур на поверхность стекла при скоростях, существенно меньше оптимальных, также сопровождался ухудшением качества упаковки, которое было вызвано нарушением горизонтальных сил между микросферами в монослое. Это приводило к продольным деформациям в структуре и нарушениям регулярности в упаковке.

При переносе упаковки на стекло вместе с ней, за счет смачивания, переносилась и часть жидкой фазы, на поверхности которой находилась упаковка. Постепенно, после испарения жидкой фазы, происходило уменьшение площади всей структуры и сближение микросфер. Во время сближения микросфер некоторые из них приближались друг к другу настолько, что начинали контактировать своими поверхностями. Это приводило к жесткому зацеплению микросфер между собой и потере их подвижности. В этом случае участок сцепленных микросфер образовывал домен с жесткими связями. Домены, в результате взаимодействия, могли создавать случайную ориентацию друг относительно друга, в том числе и с возможными наслаиваниями. В итоге в структуре образовывались дефекты, в которых некоторые микросферы из упорядоченного монослоя выталкивалась на его поверхность, частично образуя бислои в упаковке. В результате горизонтальных и вертикальных перемещений поверхности покровного стекла при переносе упаковки менялось количество жидкой фазы под ней. Количество жидкой фазы между стеклом и упорядоченной структурой можно было контролировать как за счет изменения скорости перемещения столика вместе с пластиной, так и за счет изменения угла наклона пластины при переносе. В качестве примера можно привести перенос упорядоченной структуры из полистирольных микросфер размерами 20 мкм с качеством упаковки 45% с поверхности жидкой фазы (воды) на поверхность стекла. В процессе переноса исследовалось ухудшение качества упаковки в зависимости от условий переноса. В эксперименте изменяли углы наклона поверхности пластины. Значение углов выбиралось равным 0, 25, 30 и 45 относительно горизонтальной поверхности жидкой фазы, с нанесенным на нее упорядоченным монослоем. При угле наклона 0 стеклянная пластина устанавливалась параллельно поверхности упорядоченной структурой, и поднималась в вертикальном направлении. В результате анализировалось качество полученных структур из монослоев с помощью оптического микроскопа.

На рисунке видно, что перенесение упорядоченных структур с поверхности жидкой фазы на твердую поверхность стеклянной пластины сопровождается ухудшением качества упаковки. Однако это качество можно контролировать скоростью перемещения пластины вдоль поверхности жидкой фазы, а также углом наклона стеклянной подложки. При угле пластины равном 450 перенос происходил практически без ухудшения качества упаковки.

Применение упорядоченной структуры для физического моделирования фотонных кристаллов

Применение сенсоров для детектирования химических веществ на основе фотонных кристаллов (ФК) описывается в значительном числе обзоров и оригинальных работ [130]. В большинстве этих работ детектирование осуществляется по спектральному отклику отраженного излучения от поверхности ФК. При нанесении химического вещества на ФК происходит спектральный сдвиг отраженного излучения, вызванный брэгговским отражением с изменением длины волны. Такой сдвиг обусловлен изменением периода дифракционной решетки, которой представлен ФК, и его интегральным показателем преломления, который также меняется при попадании химического вещества на поверхность и, далее, вглубь ФК. Строение, получение и свойства фотонных кристаллов описано в работах [132,133]. Однако, в процессе изучения реакций детектора на ряд органических растворителей (толуол, бензол, о-ксилол, изопропанол), появился целый ряд вопросов, на которые традиционные методы исследования не позволяют ответить. Одним из таких вопросов является: «Выяснение механизма прекращения селективного дифракционного отражения при превышении дозы детектируемого вещества выше критической».

Для ответа на этот вопрос чрезвычайно важным является наблюдение динамики процессов взаимодействия вещества с элементами, из которых состоит ФК. Для работы ФК в видимом диапазоне длин волн, его элементами могут являться полистирольные микросферы диаметрами 170 ±\1нм и 230 + 25нм. Такие полистирольные микросферы получаются методом эмульсионной полимеризации в присутствии неионных оксиэтилированных эмульгаторов [131].

Основным недостатком метода наблюдения при взаимодействии детектируемых веществ с поверхностью ФК является отсутствие данных по их динамике. Как правило, наблюдение самих упорядоченных структур и их изменений при нанесении на них детектируемых веществ ведется с помощью методов сканирующей электронной микроскопии или атомно – силовой микроскопии. Однако эти методы не позволяют визуализировать динамику процессов взаимодействия химических веществ с полистирольными микросферами, чтобы понять изменение структуры микросфер и топологию упаковок.

Характерным примером изучения этих процессов является сравнение снимков электронных микрофотографий действующего ФК и ФК при отсутствии оптического селективного отражения от его поверхности при превышении дозы аналита выше некоторой предельной.

При этом анализ морфологической структуры поверхности кристалла методом сканирующей электронной спектроскопии не выявил нарушений ее упорядоченности (рисунок 36 а) и б))

На Рис. 36 б) представлена морфологическая структура поверхности фотонного кристалла после обработки аналитом. Количество аналита было выбрано так, что наблюдалось отсутствие спектрально селективного отражения от поверхности ФК. Сравнение участков электронных фотографий Рис. 36 а) и б) показывает, что края микросфер на Рис. 36 б) выражены менее четко, чем на Рис.36 а). Такая размытость может свидетельствовать о рыхлости поверхности микросфер после обработки. Для более детального анализа и ихучения динамики процессов была сделана попытка физического моделирования фотонного кристалла структурами из микросфер более крупных размеров. Для этого в качестве модели были выбраны полистирольные микросферы размерами 6, 20, 31, 55, 213 мкм, описанные в работе. После обработки аналитом (толуолом) была снята динамика процесса поведения микросфер указанных размеров в оптическом микроскопе. Наблюдения показали изменения интегрального коэффициента пропускания видимого излучения через такие микросферы. Подобные изменения могут быть связаны с дополнительным рассеянием света от поверхности микросфер. Такое рассеяние вызвано неупругой деформацией микросфер при их набухании вследствие диффузии аналита, с последующим его испарением из них.

В качестве системы видеонаблюдения кинетики процессов использовался микроскоп «Биомед» с насадками для увеличения изображения в 64 , 160 , 640 и 1600 . В качестве детектора изображения использовалась цифровая видеокамера DCM 310, подключенная к компьютеру с помощью программы Scopetek.

На упорядоченные структуры из полимерных микросфер была нанесена капля ( 10мкл) неполярного органического растворителя (толуол, октан или комбинации толуола с октаном в разных соотношениях концентраций). Была сделана видеосъемка поведения полистирольных микросфер в присутствии этих веществ.

При взаимодействии органических растворителей с микросферами можно выделить следующие стадии взаимодействия аналита с микросферами: 1) диффузия растворителя внутрь микросфер приводит к увеличению их объема; 2) увеличение объема микросферы приводит к «растягиванию» ее поверхности. Такое «растягивание» сопровождается распрямлением полимерных цепей, из которых состоит микросфера. Наличие кросс-сшивки в виде дивинилбензола ограничивает набухание микросферы; 3) диффузия паров растворителя внутрь микросфер сопровождается его последующей конденсацией на полимерных цепях каждой микросферы; 3) поверхность микросфер становится более шероховатой; 4) частично происходит вымывание полистирола из микросфер из-за их растворения в органической среде; 5) меняются реологические характеристики микросфер, в частности, их вязко-упругие свойства; 6) между микросферами возникают горизонтальные капиллярные силы, стремящиеся сблизить их и образовать плотную гексагональную упаковку. Кинетика набухания полимерных микросфер представлена на рисунке 37.

Поверхность становится менее упругой и способной к деформации. Это наблюдалось при повторном нанесении растворителя на поверхность упаковок из полистирольных микросфер. После нанесения полимерные мостики между микросферами растворялись, и микросферы снова начинали набухать. Однако, из-за меньшей упругости поверхности микросфер, размеры их диаметров не достигали первоначальных значений, как при первом нанесении. Для фотонного кристалла это означает конечность регенерации свойств, в том числе и оптических, после испарения растворителя с поверхности ФК. Даже при предельно малых концентрациях растворителя, нанесенного на поверхность ФК, происходило значительное изменение вязкоупругих свойств полимерных микросфер, из которых состоит ФК. Последующие нанесения растворителя могут приводить к необратимым последствиям свойств микросфер и прекращения работоспособности ФК по изменению спектральных свойств отраженного излучения от его поверхности. При малом содержании дивинилбензола в качестве сшивающего агента в полимерных микросферах ( 1%), при введении паров аналита на поверхность микросфер, сама поверхность микросфер сохраняла первоначальную шероховатость как при их набухании, так и при испарении аналита из них. Поверхность микросфер становилась рыхлой, что уменьшало спектральную эффективность дифракционного отражения от поверхности микросфер. Микросферы при нанесении аналита становились менее твердыми, что при условии самоорганизации обеспечивало их «вдавленность» одна в другую. Это приводит к уменьшению глубины «штрихов» в составленной дифракционной отражательной решетке при взаимодействии когерентных волн, что уменьшает эффективность ее отражения. Границы перехода между микросферами для наблюдения дифракционной картины становятся менее четкими, то есть сглаженными. Это также снижает эффективность спектрального отражения от поверхности фотонного кристалла, что можно проиллюстрировать на примере оценочных расчетов [134].

Применение упорядоченных структур в качестве подложек для формирования искусственных биологических тканей и органов

Тканевая инженерия и регенеративная медицина открывают новые возможности для восстановления поврежденных и создания новых искусственных тканей и органов. Эта область медицины и науки является сегодня одним из наиболее перспективных и быстро развивающихся. Главной целью этих направлений является создание биологических аналогов натуральных тканей или органов, которые могут выполнять идентичные функции. Интересной является идея подложки. Подложка – это структура, на которой осуществляется рост формируемых тканей. Кроме того, она также имеет защитную функцию. Формируя подложку заданных параметров, можно формировать ткани заданной формы, что облегчает контроль за трансплантацией созданной ткани в место повреждения. На сегодняшний день уже существует несколько исследований направленных на регенерацию поврежденных тканей с помощью искусственно созданных биологических аналогов тканей, выращенных на подложках. В данной работе сформированные упорядоченные структуры вполне могут являться модельными объектами для изучения роста искусственных тканей на подложках. В качестве примера были проведены первые эксперименты по формированию тканей на упорядоченных структурах. В качестве модельной ткани были выбраны клетки HeLa.

Методы закрепления микросфер на твердой поверхности позволили сформировать устойчивую структуру для роста клеток. Полученные упаковки позволили контролировать образование и рост клеток как вдоль поверхности, так и вглубь пор упорядоченных полимерных микросфер. Результаты, полученные в ходе работы, проведенные совместно с ФГБУ ФНКЦ ФХМ ФМБА России показали принципиальную возможность и перспективность использования подложек из упорядоченных полимерных микросфер для целей тканевой инженерии и регенеративной медицины.

Рассмотрены различные применения упорядоченных структур из полимерных микросфер диаметрами 6 – 250 мкм. Впервые предложено использовать упорядоченные структуры из полимерных микросфер размерами 6, 20, 31, 55, 213 мкм для моделирования фотонных кристаллов. Физическое моделирование фотонных кристаллов позволило предположить механизмы уменьшения селективности дифрагированного излучения. Также предложено использовать упорядоченные структуры из полимерных микросфер в качестве систем пассивной передачи терагерцового излучения. Кроме того, полученные упорядоченные структуры были использованы в качестве подложки для выращивания клеток. Результаты показали принципиальную возможность и перспективность использования таких структур для целей тканевой инженерии и регенеративной медицины. Полученные результаты работы могут быть использованы в качестве начала для более глубокого развития и детальной разработки этих направлений.