ИСТИНА

Проект направлен на разработку фундаментальных принципов конструирования механически прочных гидрогелей, пригодных для 3D-печати, на основе комбинации двух сетчатых структур с дополняющими друг друга характеристиками: (1) механической прочностью - за счет жесткой сетки и (2) способностью к сильным деформациям и к быстрому восстановлению формы после механической нагрузки - за счет более гибкой сетки. В качестве жестких сеток будут использованы самособирающиеся сетчатые структуры из линейных нанофибрилл целлюлозы или сильно разветвленных нанофибрилл альгината натрия. Можно ожидать, что сильно разветвленные нанофибриллы, обеспечивающие большую площадь поверхности, смогут более заметно повысить прочность двойной сетки за счет более равномерного распределения напряжения в образце. Поскольку фибриллярная сетка будет самособирающейся, она позволит сохранить реологические свойства, необходимые для 3D-печати: быстрое сшивание полимерных цепей, способность геля течь при прикладывании значительного напряжения, быстрое восстановление свойств после нанесения на поверхность, способность нанесенных слоев материала сшиваться друг с другом. Создание принципов конструирования биоразлагаемых гидрогелевых структур желаемой формы из природных компонентов с использованием современной безотходной ресурсосберегающей технологии - 3D-печати представляется чрезвычайно актуальной задачей в условиях загрязнения планеты полимерными отходами. Научная новизна проекта заключается в том, что в нем впервые будут скомбинированы различные принципы создания сетчатых полимерных материалов: (1) усиление механических свойств путем создания двойных сеток, (2) использование в качестве одной из сеток не «традиционной» полимерной сетки, а самоорганизующейся сетки, состоящей из нанообъектов - нанофибрилл, (3) обеспечение биодеградируемости путем использования полимеров природного происхождения, (4) применение 3D-печати для получения объектов нужной формы.

The project aims to develop fundamental principles for the design of mechanically strong hydrogels suitable for 3D printing, based on a combination of two network structures with complementary characteristics: (1) mechanical strength - due to a rigid network and (2) the ability to strongly deform and quickly restore the shape after mechanical loading - due to a more flexible network. As rigid networks will be used self-assembled network structures of linear cellulose nanofibrils or highly branched sodium alginate nanofibrils. It can be expected that highly branched nanofibrils, which provide a large surface area, will be able to more noticeably increase the strength of the double network due to a more uniform stress distribution in the sample. Since the fibrillar network will be self-assembled one, it will preserve the rheological properties required for 3D printing: fast cross-linking of polymer chains, the ability of the gel to flow when a significant shear is applied, the rapid recovery of properties after application to the surface, the ability of the deposited material layers to cross-link with each other. The creation of principles for the design of biodegradable hydrogel structures of the desired shape from natural components using modern waste-free resource-saving technology - 3D printing is an extremely urgent task in the conditions of pollution of the planet with polymer waste. The scientific novelty of the project lies in the fact that for the first time it will combine various principles for creating polymer network materials: (1) strengthening the mechanical properties by creating double networks, (2) using a self-assembled network, consisting of nano-objects – nanofibrils, as one of the networks instead of a “traditional” polymer network, (3) ensuring biodegradability by using polymers of natural origin, (4) using 3D printing to obtain objects of the desired shape.

Будут разработаны три типа таких гидрогелей: 1) гидрогели на основе двойной сетчатой структуры, включающей гибкую сетку из незаряженного полисахарида гидроксипропилгуара (ГПГ), сшитого ковалентными связями, и жесткую самоорганизующуюся сетку, сформированную из нанофибрилл целлюлозы; 2) гидрогели на основе двойной сетчатой структуры, построенной из гибкой сетки из незаряженного полисахарида ГПГ, сшитого ковалентными связями, с внедренной в нее сеткой из переплетенных разветвленных нанофибрилл альгината натрия; 3) гидрогели на основе двухкомпонентных полимерных сеток, содержащих гибкую сетку из заряженного полисахарида альгината натрия, сшитого мультивалентными ионами, и жесткую сетку из разветвленных фибрилл того же полисахарида, встраивающуюся в основную сетку альгината натрия за счет миграции ионов сшивателя.

Созданы биоразлагаемые гидрогели, построенные из нанокомпозитных сеток на основе природных компонентов (полисахарида альгината натрия и нанотрубок глины галлуазита), перспективные в качестве «чернил» для 3D-печати. Определены условия, соответствующие наиболее быстрой фиксации структуры при 3D-печати, а также наибольшей механической прочности получаемых гелей. Показано, что наиболее прочный гель образуется при концентрации наполнителя (галлуазита) выше концентрации перекрывания С*, когда нанотрубки образуют перколяционную структуру во всем объеме системы, т.е. при условии формирования двойной сетки, в которой одна сеток создана полимерными цепями, а другая – нанотрубками глины. Кроме того, в рамках подготовки к проекту отработана методика модификации молекул гидроксипропилгуара (ГПГ) метакрилатными группами (МА), получены и охарактеризованы первые образцы фотосшиваемых полимеров ГПГ-МА. Показано, что эти полимеры пригодны для 3D-печати в отсутствие нанофибрилл, и на экструзионном 3D-принтере получены образцы многослойных гидрогелевых структур.