«Это захватывающее открытие с точки зрения фундаментальной науки, поскольку мы обнаружили новую полимерную фазу и определили метод ее индуцирования», — сказала Эдит Матиовиц, профессор медицинских наук и инженерии в Brown. «С точки зрения приложений, полимер, с которым мы работали в этом исследовании, имеет множество применений, и мы считаем, что свойства, которые мы открыли сейчас, позволят нам сделать его лучше».Результаты опубликованы в журнале «Полимер».PLA представляет собой полукристаллический материал, что означает, что части молекулярной структуры материала упорядочены в кристаллы, а остальные неупорядочены или аморфны, как стекло.
Работа предыдущих исследователей показала, что обработка PLA теплом может увеличить кристаллический состав материала, что может помочь увеличить его прочность. Исследователи из лаборатории Матиовица во главе с докторантом и ветераном ВМС США Кристофером Бейкером хотели посмотреть, повлияет ли дополнительное давление на процесс лечения на структуру материала.
Бейкер обрабатывал образцы PLA в различных условиях температуры и давления в течение разного времени. Давление варьировалось от 2 000 до 20 000 фунтов на квадратный дюйм.
Температуры, используемые для обработки, были выше, ниже и почти равны температуре стеклования для PLA — температуре, при которой аморфные части материала переходят из твердого состояния в эластичное.Бейкер показал, что обработка увеличила количество кристаллических областей в материале, но было еще одно, более удивительное открытие. При более высоких температурах и давлениях аморфные части материала стали двулучепреломляющими, что означает, что они по-разному изгибают свет в зависимости от того, как свет поляризован. Это показатель значительного структурного изменения в аморфных частях материала.
Вообще говоря, двойное лучепреломление — это свойство кристаллических материалов, поэтому его появление в аморфных областях PLA было неожиданностью. «Мы не ожидали, что у него будут такие свойства», — сказал Матиовиц. «Так что видеть это в аморфной фазе было действительно потрясающе».Затем Бейкер использовал несколько методов, чтобы дополнительно охарактеризовать, как изменились аморфные области. Используя метод, называемый дифракцией рентгеновских лучей, он показал, что полимерные нити в некоторых аморфных участках стали значительно более упорядоченными.
«Полимерные нити обычно представляют собой спутанный беспорядок», — сказал Бейкер. «Но при обработке материала мы обнаружили, что аморфная область стала менее запутанной и более ориентированной в определенном направлении».Дальнейший термический анализ показал, что более упорядоченные участки имеют более высокую температуру стеклования.
Как правило, аморфные материалы с более высокими температурами стеклования разлагаются значительно медленнее.По словам исследователей, новая аморфная фаза в сочетании с общим увеличением кристалличности в обработанных образцах может иметь серьезные последствия для механических свойств материала. Более высокая кристалличность может сделать его прочнее, а более упорядоченные аморфные участки могут продлить его срок службы. Эта более медленная скорость разложения может быть особенно полезна в медицинских приложениях, в этой области специализируется лаборатория Матиовица.
Например, PLA используется в качестве покрытия для таблеток с замедленным высвобождением и имплантируемых систем доставки лекарств. Если скорость, с которой разлагается PLA, можно контролировать, скорость, с которой он доставляет лекарство, может быть изменена. Также есть интерес к использованию PLA для пластин и винтов, используемых для стабилизации сломанных костей. Преимущество имплантатов из PLA заключается в том, что они со временем разрушаются, поэтому пациенту не потребуется повторная операция для их удаления.
PLA может разлагаться слишком быстро для некоторых из этих приложений, но если эта новая полимерная фаза замедляет разложение, это может стать лучшим вариантом.«Теперь, когда мы показали, что можем намеренно вызвать эту фазу, мы думаем, что она может быть очень полезной во многих отношениях», — сказал Матиовиц.
Исследователи планируют дополнительные исследования, направленные на количественную оценку изменений свойств материала, а также на выяснение того, может ли эта фаза быть вызвана в других полукристаллических материалах.