Микромасштабное моделирование магнитодеформационного отклика образцов феррогелей с разной структурой полимерной матрицы
DOI:
https://doi.org/10.7242/2658-705X/2021.3.4Ключевые слова:
мягкий магнитный композит, феррогель, молекулярная динамика, управляемая доставка лекарствАннотация
Феррогели - это мягкие магнитно-активные композиционные материалы, матрицей в которых служат, как правило, гидрогели, а наполнителем - ферромагнитные коллоидные частицы. Ярко выраженная взаимосвязь магнитных и механических характеристик подобных материалов, а также их биосовместимость открывают возможность применения феррогелей в широком круге биомедицинских приложений. Сложность прямых наблюдений за процессами, происходящими на структурном масштабном уровне и играющими ключевую роль в формировании уникальных свойств феррогелей, повышает значение теоретических исследований внутреннего состояния материала. В работе представлены результаты моделирования поведения малого образца феррогеля, полученные с применением метода крупнозернистой молекулярной механики. Матрица композита имитируется квазирегулярной сеткой идеальных полимерных цепей, а магнитные частицы включения, обладающие однодоменной структурой и одноосной магнитной анизотропией, помещаются в узлы этой сетки. Рассмотрено состояние образца в отсутствии внешнего воздействия, а также в циклах квазистатического намагничивания для двух вариантов топологии полимерной сетки (простой кубической и алмазоподобной), для различных величин магнитного момента частиц, их концентрации, а также энергии анизотропии. Моделирование показало, что применение более мягкой матрицы с алмазоподобной структурой усиливает магитодеформационные эффекты. Наличие магнитной анизотропии приводит к возникновению дополнительных локальных напряжений при переориентации магнитных моментов, что затрудняет агрегирование частиц и намагничивание материала. Кроме того, обнаружено, что энергия анизотропии определяет характер изменения объёма образца в поле.
Библиографические ссылки
- Guisasola E., Vallet-Regí M., Baeza A. Magnetically responsive polymers for drug delivery applications // Stimuli Responsive Polymeric Nanocarriers for Drug Delivery Applications. – Vol. 1. – Cambridge: Woodhead Publishing, 2018. – P. 143–168.
- Zhao X., Kim J.,Cezar C.A. [et. al.] Active scaffolds for on-demand drug and cell delivery // Proceedings of National Academy of Science of the USA. – 2011. – Vol. 108. – P. 67–72.
- Babincova M., Leszczynska D., Sourivong P. [et. al.] Superparamagnetic gel as a novel material for electromagnetically induced hyperthermia // Journal of Magnetism and. Magnetic Materials. – 2001. –Vol. 225. – P. 109–112.
- Lin C.C., Metters A.T. Hydrogels in controlled release formulations: network design and mathematical modeling // Advanced Drug Delivery Reviews. – 2006. – Vol. 58. – P. 1379–408.
- Shahinpoor M., Kim K.J., Mojarrad M. Artificial Muscles: Applications of Advanced Polymeric Nanocopmosites. – New York, London: CRC Press, 2007. – 480 p.
- Li Y., Huang G., Zhang X. [et. al.] Magnetic Hydrogels and Their Potential Biomedical Applications // Advanced Functional Materials. – 2013. – Vol. 3. – P. 660–672.
- Blyakhman, F.A., Safronov A.P., Zubarev A.Yu. [et. al.] Polyacrylamide ferrogels with embedded maghemite nanoparticles for biomedical engineering // Results in Physics. – 2017. – Vol. 7. – P. 3624–3633.
- Philippova O.E. Responsive Polymer Gels // Polymer Science. Series C. – 2000. – Vol. 42. – P. 2328– 2352.
- Ramanujan R., Lao L. The mechanical behavior of smart magnet-hydrogel composites // Smart
Materials and Structures. – 2006. – Vol. 15. – P. 952. Ilg P. Stimuli-responsive hydrogels cross-linked by magnetic nanoparticles // Soft Matter. – 2013. – Vol. 9. – P. 3465. Minina E.S., Sánchez P.A., Likos C.N., Kantorovich S.S. The influence of the magnetic filler concentration on the properties of a microgel particle: Zero-field case // Journal of Magnetism and. Magnetic Materials. – 2018. – Vol. 459. – P. 226–230. Weeber R., Hermes M., Schmidt A.M., Holm C. Polymer architecture of magnetic gels: a review // Journal of Physics: Condensed Matter. – 2018. – Vol. 30. – P. 063002. Ryzhkov A.V., Melenev P.V., Balasoiu M., Raikher Yu.L. Structure organization and magnetic properties of microscale ferrogels: The effect of particle magnetic anisotropy // Journal of Chemical. Physics. – 2016. – Vol. 145. – P. 074905. Galicia J.A., Cousin F., Dubois E. [et. al.] Static and dynamic structural probing of swollen polyacrylamide ferrogels // Soft Matter.– 2009. – Vol. 13. – P. 2614–2624. Campbell S.B., Patenaude M., Hoare T. Injectable superparamagnets: highly elastic and degradable poly(N-isopropylacrylamide)-superparamagnetic iron oxide nanoparticle (SPION) composite hydrogels // Biomacromolecules. – 2014. – Vol. 14. – P. 644–653. Arnold A., Lenz O., Kesselheim S. [et. al.] ESPResSo 3.1 – Molecular Dynamics Software for Coarse-
Grained Models // Meshfree Methods for Partial Differential Equations. – 2013. – Vol. 6. – P. 1–23. Ivanov A.O., Kuznetsova O.B. Magnetic properties of dense ferrofluids: An influence of interparticle correlations // Physical Review E. – 2001. – Vol. 64. – P. 041405. Liu T.-Y., Hu S.-H., Liu D.-M. [et. al.] Biomedical nanoparticle carriers with combined thermal and
magnetic responses // Nano Today. – 2009. – Vol. 4. – P. 52–65. Liu T.-Y., Hu S.-H., Liu T.-Y. [et. al.] Magnetic-Sensitive Behavior of Intelligent Ferrogels for Controlled Release of Drug // Langmuir. – 2006. – Vol. 22. – P. 5974–5978. Qin J., Asempah I., Laurent S. [et. al.] Injectable Superparamagnetic Ferrogels for Controlled Release of Hydrophobic Drugs // Advanced Materials. – 2009. – Vol. 21. – P. 1354–1357.
