Материал: Химия, физика и механика материалов. Рудаков О.Б., Перцев В.Т

13. Семёнова А.Т., Цыплаков А.Н., Черноусенко Г.И., Шокин В.О., Куки-

на О.Б, Хорохордина Е.А. Исследование эффективности применения панелей из фиброгипса в строительстве с использованием отходов пиления ракушняка//

Химия, физика и механика материалов. Выпуск: 2(25). С. 17-25.

Подымская Анна Тимофеевна – студент группы мТМС 191 факультета радиотехники и электроники Воронежского государственного технического университета Черноусенко Григорий Иванович – иностранный член Академии строительства Украины,

автор-разработчик технологии строительной системы «Монопор», представитель ЗАО НПО «Стройтехавтоматика» г. Воронеж Волокитина Анастасия Владимировна – студентка бАМТ181 дорожно-транспортного фа-

культета Воронежского государственного технического университета

100

Химия, физика и механика материалов. Выпуск № 1 (28), 2021

ПОЛИМЕРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

УДК 57.089.67, 616.74-018.38-089.843

ИСКУССТВЕННЫЕ СУХОЖИЛИЯ НА ОСНОВЕ ПОЛИВИНИЛОВОГО СПИРТА

А.И. Отченашенко1*, В.В. Корнеева2, М.С. Букша3

1Национальный исследовательский ядерный университет

(Московский инженерно-физический институт),

Российская Федерация, 115409, г. Москва, Каширское ш., д. 31

2Воронежский государственный технический университет,

Российская Федерация, 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84

3Воронежский государственный медицинский университет им. Н.Н. Бурденко,

Российская Федерация, 394000, г. Воронеж, ул. Студенческая, 10

*Адрес для переписки: Отченашенко Александр Иванович, E-mail: alot.zte@gmail.com

Человеческие опорные ткани, такие как сухожилия, на 70% состоят из воды, но не-

смотря на это, они являются прочными и жесткими даже после миллиона двигательных ак-

тов благодаря упорядоченной структуре анизотропных веществ. Однако, в отличие от сухо-

жилий, многие гидрогели с таким же высоким содержанием воды не показывают высокой прочности, ударной вязкости или сопротивления усталости. Синтетические гидрогели со-

здаются с использованием таких методов, как электроспиннинг, экструзия, композитинг, ли-

тье замораживанием, самосборка и механическое растяжение, – для улучшения механиче-

ских характеристик. В данной статье представлена стратегия создания многомерной иерар-

хической гидрогелевой архитектуры с использованием высаливания вместе с замораживани-

ем. Полученные гидрогели из поливинилового спирта являются сильно анизотропными, их стенки пор размером порядка микрометра похожи на соты, которые, в свою очередь, содер-

жат взаимосвязанные сетки из нанофибриллов. Эти гидрогели содержат 70-95 процентов во-

ды и обладают свойствами, которые выгодно отличаются от свойств других прочных гидро- © Отченашенко А.И., Корнеева В.В., Букша М.С., 2021

101

Химия, физика и механика материалов. Выпуск № 1 (28), 2021

drogel architecture using freeze-out salting out treatment. The resulting polyvinyl alcohol hydrogels are highly anisotropic, containing micrometer-sized honeycomb-like pore walls, which in turn contain interconnected nanofibril networks. These hydrogels contain 70–95 percent water and have properties that compare favorably with those of other durable hydrogels and even natural tendons; e.g. ultimate stress 23.5 ± 2.7 megapascals, strain levels 2,900 ± 450 percent, impact strength 210 ± 13 megajoules per cubic meter, fracture energy 170 ± 8 kilojoules per square meter, and fatigue threshold 10.5 ± 1.3 kilojoules per square meter. The presented strategy can be applied to other polymers and can expand the field of application of structural hydrogels under conditions requiring higher mechanical loads.

Keywords: tendons, hydrogel, polymers, implants, salting out, freeze-casting

Введение. Древесина легкая и прочная; перламутры твердые и упругие;

мышцы и сухожилия мягкие и жесткие. Эти природные материалы демонстри-

руют комбинацию обычно противоречащих друг другу механических свойств,

которая объясняется их иерархической структурой. По сравнению с естествен-

ными сухожилиями обычные гидрогели с неплотным сшиванием, низким со-

держанием твердых веществ и однородной структурой являются относительно слабыми и хрупкими для использования в реальных ситуациях, которые часто требуют длительных сроков службы, высокой устойчивости к нагрузкам или ударам и большой деформации. Определенный прорыв в укреплении и повы-

шении жесткости гидрогелей был сделан за счет введения механизмов рассея-

ния энергии во время нагрузки, таких как формирование двойной сетки, имею-

щей двойное сшивание, самосборку, индуцирование гидрофобной агрегации и создание нанокристаллических доменов. Эти методы в первую очередь ориен-

тированы на композиционную и молекулярную инженерию, включая ограни-

ченные структурные изменения в узком масштабе длины (молекулярный или наноразмерный) и относительно простые структуры по сравнению со сложны-

ми природными аналогами.

Другие достижения основаны на подходах к проектированию конструк-

ций с помощью создания анизотропных структур в гидрогелях путем литья за-

мораживанием, механического растяжения и композитинга. Например, направ-

103

ленное замораживание или ледяной шаблон (литье замораживанием) широко используется из-за его общей применимости к различным полимерам. Однако гидрогели на основе ледяного шаблона с микровыравниванием показали меха-

нические характеристики, сравнимые или более низкие, чем у гомогенных прочных гидрогелей, полученных методами молекулярной инженерии. Меха-

ническое растяжение также использовалось для создания анизотропных мик-

ро/наноструктур. В качестве альтернативы, вместо создания в реакционной смеси анизотропных структур внутри гидрогеля с помощью литья заморажива-

нием и механического растяжения, также изучались методы композитинга пу-

тем добавления чужеродных микро/наноразмерных армирующих волокон в гидрогель. Гидрогели и гидрогелевые композиты имеют значительно улучшен-

ную прочность и вязкость разрушения по сравнению с гомогенными вязкими гидрогелями, но также имеют ограниченную растяжимость или содержание во-

ды. Эти подходы к структурной инженерии сосредоточены на оптимизации микро/наноструктур существующих гидрогелей, однако по-прежнему сложно создавать одновременно прочные, жесткие, растяжимые и устойчивые к уста-

лости гидрогели с более сложными иерархическими структурами, например,

наблюдаемых в природных материалах, при этом используя общий подход.

Формирование иерархически анизотропного гидрогеля, содержащего прочные и растяжимые волокна одного и того же состава, было бы многообе-

щающим для изготовления гидрогелей с одновременно высокими прочностью,

ударной вязкостью, растяжимостью и порогом усталости. Изменение агрегат-

ных состояний полимера может быть реализовано простым добавлением опре-

деленных ионов; это известно как эффект Хофмайстера, при котором различ-

ные ионы обладают особой способностью осаждать полимеры. Между тем,

направленное замораживание может наделить гидрогели анизотропными структурами в более крупных (микрометровых и миллиметровых) масштабах,

одновременно способствуя концентрации молекул. В данной статье предложе-

но создавать гидрогели, используя комбинацию подходов молекулярной и структурной инженерии. Комбинируя направленное литье замораживанием и

104