Composite material based on hydroxyapatite and multi-walled carbon nanotubes filled by iron: Preparation, properties and drug release ability

Новий біоактивний композиційний матеріал на основі гідроксиапатиту і багатошарових вуглецевих нанотрубок, заповнених залізом, був синтезований методом «вологої хімії» і охарактеризований докладно різними експериментальними методами, включаючи рентгенівську дифракцію, інфрачервоне перетворення Фур'є і енергодисперсійного рентгенівське випромінювання, променева флуоресцентна спектроскопія, термогравіметричний і диференційний термічний аналіз . Поведінку набухання визначали кількісно шляхом вимірювання змін маси зразка залежно від часу занурення зразка в забуферений фосфатом фізіологічний розчин (PBS). Тест на біоактивность проводили шляхом замочування зразків в PBS. Вплив складу матеріалу на модельне вивільнення лікарського засобу вивчали з використанням методу високоефективної рідинної хроматографії. Нарешті, були також досліджені механічні властивості (максимальна відносна деформація, міцність і модуль Юнга) зразків під навантаженням. Дослідження показують можливість застосування створеного композитного матеріалу в біоінженерії кісткової тканини для заповнення дефектів кісток різних геометрій функцією тривалого вивільнення лікарського засобу. Передбачається, що цей композиційний матеріал можна використовувати в тривимірному моделюванні областей кісткової тканини, які повинні витримувати механічне навантаження.Новый биоактивный композиционный материал на основе гидроксиапатита и многослойных углеродных нанотрубок, заполненных железом, был синтезирован методом «влажной химии» и охарактеризован подробно различными экспериментальными методами, включая рентгеновскую дифракцию, инфракрасное преобразование Фурье и энергодисперсионное рентгеновское излучение, лучевая флуоресцентная спектроскопия, термогравиметрический и дифференциальный термический анализ. Поведение набухания определяли количественно путем измерения изменений массы образца в зависимости от времени погружения образца в забуференный фосфатом физиологический раствор (PBS). Тест на биоактивность проводили путем замачивания образцов в PBS. Влияние состава материала на модельное высвобождение лекарственного средства изучали с использованием метода высокоэффективной жидкостной хроматографии. Наконец, были также исследованы механические свойства (максимальная относительная деформация, прочность и модуль Юнга) образцов под нагрузкой. Исследования демонстрируют возможность применения созданного композитного материала в биоинженерии костной ткани для заполнения дефектов костей различных геометрий функцией длительного высвобождения лекарственного средства. Предполагается, что этот композиционный материал можно использовать в трехмерном моделировании областей костной ткани, которые должны выдерживать механическую нагрузку.The novel bioactive composite material based on hydroxyapatite and multi-walled carbon nanotubes filled by iron was synthesized by the “wet chemistry” method and characterized in detail by various experimental techniques including the X-ray diffraction, Fourier transform infrared and energy-dispersive X-ray fluorescence spectroscopy, thermogravimetric and differential thermal analysis. The swelling behaviour was quantified by measuring the changes in sample weight as a function of sample immersion time in a phosphate buffered saline (PBS). Bioactivity test was carried out by soaking the samples in PBS. The material composition influence on the model drug release was studied using the high-performance liquid chromatography method. Finally, the mechanical properties (maximal relative deformation, strength and Young's modulus) of the samples under loading were investigated too. The findings clear demonstrate the possibility of application of the created composite material in bioengineering of bone tissue to fill bone defects of various geometries with the function of prolonged release of the drug. It is assumed that this composite material can be used in 3D modeling of areas of bone tissue that have to bear a mechanical load

Composite material based on hydroxyapatite and multi-walled carbon nanotubes filled by iron: Preparation, properties and drug release ability

Новий біоактивний композиційний матеріал на основі гідроксиапатиту і багатошарових вуглецевих нанотрубок, заповнених залізом, був синтезований методом «вологої хімії» і охарактеризований докладно різними експериментальними методами, включаючи рентгенівську дифракцію, інфрачервоне перетворення Фур'є і енергодисперсійного рентгенівське випромінювання, променева флуоресцентна спектроскопія, термогравіметричний і диференційний термічний аналіз . Поведінку набухання визначали кількісно шляхом вимірювання змін маси зразка залежно від часу занурення зразка в забуферений фосфатом фізіологічний розчин (PBS). Тест на біоактивность проводили шляхом замочування зразків в PBS. Вплив складу матеріалу на модельне вивільнення лікарського засобу вивчали з використанням методу високоефективної рідинної хроматографії. Нарешті, були також досліджені механічні властивості (максимальна відносна деформація, міцність і модуль Юнга) зразків під навантаженням. Дослідження показують можливість застосування створеного композитного матеріалу в біоінженерії кісткової тканини для заповнення дефектів кісток різних геометрій функцією тривалого вивільнення лікарського засобу. Передбачається, що цей композиційний матеріал можна використовувати в тривимірному моделюванні областей кісткової тканини, які повинні витримувати механічне навантаження.Новый биоактивный композиционный материал на основе гидроксиапатита и многослойных углеродных нанотрубок, заполненных железом, был синтезирован методом «влажной химии» и охарактеризован подробно различными экспериментальными методами, включая рентгеновскую дифракцию, инфракрасное преобразование Фурье и энергодисперсионное рентгеновское излучение, лучевая флуоресцентная спектроскопия, термогравиметрический и дифференциальный термический анализ. Поведение набухания определяли количественно путем измерения изменений массы образца в зависимости от времени погружения образца в забуференный фосфатом физиологический раствор (PBS). Тест на биоактивность проводили путем замачивания образцов в PBS. Влияние состава материала на модельное высвобождение лекарственного средства изучали с использованием метода высокоэффективной жидкостной хроматографии. Наконец, были также исследованы механические свойства (максимальная относительная деформация, прочность и модуль Юнга) образцов под нагрузкой. Исследования демонстрируют возможность применения созданного композитного материала в биоинженерии костной ткани для заполнения дефектов костей различных геометрий функцией длительного высвобождения лекарственного средства. Предполагается, что этот композиционный материал можно использовать в трехмерном моделировании областей костной ткани, которые должны выдерживать механическую нагрузку.The novel bioactive composite material based on hydroxyapatite and multi-walled carbon nanotubes filled by iron was synthesized by the “wet chemistry” method and characterized in detail by various experimental techniques including the X-ray diffraction, Fourier transform infrared and energy-dispersive X-ray fluorescence spectroscopy, thermogravimetric and differential thermal analysis. The swelling behaviour was quantified by measuring the changes in sample weight as a function of sample immersion time in a phosphate buffered saline (PBS). Bioactivity test was carried out by soaking the samples in PBS. The material composition influence on the model drug release was studied using the high-performance liquid chromatography method. Finally, the mechanical properties (maximal relative deformation, strength and Young's modulus) of the samples under loading were investigated too. The findings clear demonstrate the possibility of application of the created composite material in bioengineering of bone tissue to fill bone defects of various geometries with the function of prolonged release of the drug. It is assumed that this composite material can be used in 3D modeling of areas of bone tissue that have to bear a mechanical load

Electrical and thermal conductivity of graphite-metal composites

Electrical and thermal conductivity of graphite-Co(Ni) composites on the basis of two different types of thermoexfoliated graphite, TEG(1) and TEG(2) have been studied. The distinctions in electric resistivity (pD) between compacted TEG(1) and TEG(2) can be explained by a better compressibility of TEG(2) powders resulting in lowered contact resistance Rk between the TEG(2) particles. Co or Ni deposition onto TEG surface (up to metal content of 30 to 50 % mass.) has been found to result in an increased electric resistivity of compacted TEG-metal samples and weakened temperature dependence p(7). These p changes are associated likely to increased Rk between TEG particles due to introduced metal. The fixation of metal (Co, Ni) particles on the TEG(2) surface does not influence essentially the thermal conductivity ( λc) of compacted TEG(2)-Co(Ni) samples. In TEG(2) and TEG(2)-Co(Ni) samples, thermal conductivity exhibits a complex temperature dependence: λc increases slowly under heating in 300 to 700 K temperature range while a sharp λс rise is observed under cooling from 250 to 150 K.Исследованы электро- и теплопроводность композиционных материалов графит-Co(Ni) на основе различных типов терморасширенного графита — ТРГ(1) и ТРГ(2). Различия в величине удельного электросопротивления pD компактированных образцов ТРГ(1) и ТРГ(2) могут быть объяснены лучшей прессуемостью ТРГ(2), что приводит к уменьшению контактного электросопротивления Rk между частицами ТРГ(2). Обнаружено, что нанесение частиц Co или Ni на поверхность ТРГ (содержание металла — 30-50 масс %) приводит к увеличению электросопротивления компактированных образцов ТРГ-металл и ослаблению температурной зависимости p(‘). Эти изменения p могут быть связаны с увеличением контактного электросопротивления между частицами ТРГ за счет внесенного металла. Закрепление частиц металла (Co, Ni) на поверхности ТРГ(2) не влияет существенно на величину теплопроводности Лс компактированных образцов TРГ(2)-Co(Ni). В образцах TРГ(2) и TРГ(2)-Co(Ni) теплопроводность сложным образом зависит от температуры: лс медленно возрастает при нагревании в интервале температур 300-700 K и наблюдается резкое увеличение теплопроводности при охлаждении образцов от 250 до 150 К.Досліджєні електро- та тєплопровідність композиційних мaтepiaлiв гpaфiт-Co(Ni) на основі різних типів терморозширеного графіту — ТРГ(1) та ТРГ(2). Відмінності у величині питомого електроопору pa компактованих зразків ТРГ(1) та ТРГ(2) пояснено кращою здатністю ТРГ(2) до пресування, що призводить до зменшення контактного електроопору Rk між частками ТРГ(2). Знайдено, що нанесення часток Co або Ni на поверхню ТРГ (вміст металу — 30-50 мас %) призводить до збільшення електроопору компактованих зразків ТРГ-метал і послабленню температурної залежності p(T). Ці зміни p можуть бути пов’язані із збільшенням контактного електроопору Rk між частками ТРГ за рахунок внесеного металу. Закріплення часток металу (Co, Ni) на поверхні ТРГ(2) не впливає суттєво на величину теплопровідності Xc компактованих зразків TРГ(2)-Co(Ni). У зразках TРГ(2) та TРГ(2)-Co(Ni) теплопровідність складним чином залежить від температури: Xc повільно зростає при нагріванні в інтервалі температур 300-700К і спостерігається різке збільшення теплопровідності при охолодженні зразків з 250 до 150 K

Електро- та теплопровідність потрійних композитів графітові нанопластинки/TiO2/епоксидна смола

Проведено дослідження електричних та теплових властивостей композитних матеріалів (КМ) на основі епоксидної смоли Л285 і гібридного наповнювача графітові нанопластинки/оксид титану (ГНП/TiO2). Експериментальне дослідження включало вимірювання електричного опору на постійному струмі в інтервалі температур 77-293 K і теплопровідності (в інтервалі 150-425 K) для таких потрійних композитів, що містили від 0 до 5 ваг. % ГНП і 35 ваг. % ультрадисперсних (розмір ~ 130 нм) частинок TiO2. Спостерігалося зниження порогу перколяції і підвищення електропровідності для потрійних КМ ГНП/TiO2/епоксидна смола у порівнянні із бінарними КМ ГНП/епоксидна смола. Було встановлено, що збільшення вмісту високоелектропроводних частинок ГНП в композиті призводить до збільшення електропровідності і зміни температурного коефіцієнта опору (ТКО) з від’ємного до злегка додатнього в інтервалі температур 100-293 K. Від’ємний ТКО пов'язаний із стрибковим механізмом електропровідності, і для високоомного композиту 2 ваг. % ГНП/TiO2/епоксидна смола була проведена оцінка енергії активації. Додатній ТКО для композиту 5 ваг. % ГНП/TiO2/епоксидна смола може бути пояснений змінами у тунельному електронному транспорті при тепловому розширенні епоксидної матриці. Дослідження теплопровідності КМ ГНП/TiO2/епоксидна смола показало, що додавання частинок TiO2 в композити ГНП/епоксидна смола не впливає на величину теплопровідності. Зміни теплопровідності при збільшенні вмісту частинок ГНП в потрійних КМ розглядалися в рамках модифікованої моделі Нільсена і визначалася ефективна теплопровідність кожної з фаз наповнювачів. Обговорювалася також роль теплового опору на міжфазних границях і контактного теплового опору між частинками наповнювача у визначенні теплопровідності композиту.The investigation of the electrical and thermal properties of composite materials (CMs) based on epoxy resin L285 and hybrid filler graphite nanoplatelets/titanium oxide particles (GNP/TiO2) has been performed. The experimental study involved measuring direct current (DC) resistivity in the temperature range 77- 293 K and thermal conductivity (within 150-425 K range) of such ternary composite with 0-5 wt. % content of GNP particles and 35 wt. % of TiO2 ultra-disperse (~130 nm) particles. The decrease of the percolation threshold and enhanced electrical conductivity for the ternary GNP/TiO2/epoxy CMs compared with binary GNP/epoxy CMs were observed. It was found that the increase of highly conductive GNP content in the composite leads to the increase of electrical conductivity and change in the temperature coefficient of resistance (TCR) from negative to slightly positive in the temperature range 100-293 K. The negative TCR was related to hopping mechanism of conductivity, and the activation energy for low-conductive 2 wt. % GNP/TiO2/epoxy composite was estimated. The positive TCR for 5 wt. % GNP/TiO2/epoxy composite may be explained by the changes in tunnel electronic transport under thermal expansion of epoxy matrix. The investigation of thermal conductivity of GNP/TiO2/epoxy CMs has shown that addition of TiO2 particles into GNP/epoxy composites doesn’t influence the value of thermal conductivity. The changes of the thermal conductivity with increase of GNP content in ternary CMs were considered within a modified Nielsen model and the effective thermal conductivity of each type of filler phase was determined. The role of the thermal interface resistance and interparticle thermal contact resistance in the determination of composite thermal conductivity was also discussed

Thermomagnetic studies of thermoexfoliated graphite-transition metal composites

Thermal stability and magnetic susceptibility of thermoexfoliated graphite-metal (TEG-Me) composites have been investigated in the temperature range 300-850 K. The TEG-Me (Co, Ni) composites have been produced by the metal cation reduction in aqueous medium with sodium tetrahydroborate. The structure and phase composition of the products was characterized using X-ray diffraction, scanning electron microscopy, Auger electron spectroscopy and secondary ion mass spectrometry. The results of these investigations show that the metal in the green composites must exist in the bound state as Me—B and Me—H. The gradual heating (up to 850 K) or annealing (at 825 K) of the TEG-Me composites results in the appearance of ferromagnetic properties. Thermal cycling of TEG-Me composites results in a decreased magnetic susceptibility due to oxidation of metallic particles

Influence of filler morphology on electrical and thermal properties of the composites based on the polyethylene filled with thermally expanded graphite

International audienc

Міжфазна взаємодія як чинник діелектричних властивостей композитів на основі епоксидної смоли з графітовими нанопластинками

Робота присвячена дослідженню фізичних властивостей композитних матеріалів графітові нанопластинки / епоксидна смола із зміненим рівнем міжфазної взаємодії за рахунок попереднього опромінення наповнювача ультрафіолетом. З’ясовано вплив міжфазної взаємодії на границі наповнювач / матриця в полімер-вуглецевих композитних матеріалах на їх електродинамічні властивості, що є основою розробки композитних матеріалів із регульованим набором фізичних властивостей. Аналіз в рамках моделі, що враховує об’ємну частку міжфазної області, показав, що підвищення діелектричної проникності в композитах, де в ролі наповнювача було використано опромінені ультрафіолетом графітові нанопластинки, відбувається за рахунок збільшення діелектричної проникності міжфазного шару, що пов’язано із зміною хімічного складу поверхні графітових нанопластинок.The paper is devoted to the investigation of the physical properties of graphite nanoplatelets / epoxy composite materials with a modified level of interface interaction due to pre-irradiation of the filler with ultraviolet light. The influence of interface interaction at the filler / matrix interface in polymer-carbon composite materials on their electrodynamic properties is determined, which is the basis for the development of composite materials with an adjustable set of physical properties. By analyzing within the model, which takes into account the volume fraction of the interface region, it has been shown that the increase of dielectric constant in composites, where pre-irradiated with ultraviolet light graphite nanoplatelets were used as a filler, occurs due to an increase of the dielectric constant of the interface layer, which is associated with a change in the chemical composition of the surface of graphite nanoplatelets

Мікрохвильові властивості карбонових магнітних оболонкових структур, на основі скляних мікросфер, з покриттям, що складається з феромагнітних сполук та нановуглецю

У роботі встановлено закономірності зміни частотних залежностей мікрохвильових екрануючих властивостей виготовлених 2D і 3D метаструктур з періодичними ґратками на основі скляних мікросфер, покритих ГНП, ГНП-NiFe, MoS2 та суміші MоS2 + 20 % ГНП. Розглядається вплив розміру глобулярних структур на основі вуглецю, типу покриття глобул і типу полімерної матриці на значення та баланс між показниками відбиття, поглинання та пропускання електромагнітного випромінювання в діапазоні частот 25-37 ГГц. В якості скляного сердечника використовувалися скляні кульки діаметром 600 мкм і 1.8 мм. Встановлено, що збільшення розміру скляних мікросфер призводить до підвищення ефективності екранування, а також велика кількість ГНП або ГНП-NiFe у 3D структурі сприяє ефективному ослабленню електромагнітного випромінювання за рахунок збільшення відбиття та поглинання мікрохвиль. Наявність магнітного компонента NiFe на скляних мікросферах призводить до збільшення коефіцієнту поглинання A, тоді як коефіцієнт відбиття R зменшується порівняно з композитами на основі скляних мікросфер, покритих лише ГНП.In the present work, regularities of changes in the frequency dependence of microwave shielding properties of fabricated 2D and 3D metastructures with periodic lattices based on glass microspheres coated with GNPs, GNPs-NiFe, MoS2 and a mixture of MoS2 + 20 % GNP were established. The influence of the size of carbon-based globular structures, the type of globule coating and the type of polymer matrix on the value and balance between the indices of electromagnetic radiation reflection, absorption and transmission in the frequency range of 25-37 GHz is considered. Glass balls with a diameter of 600 µm and 1.8 mm were used as a glass core. It was established that the increase in the size of glass microspheres leads to an increase in the shielding efficiency, and a large amount of GNP or GNPs-NiFe in the 3D structure contributes to the effective attenuation of electromagnetic radiation by increasing the reflection and absorption of microwaves. The presence of NiFe magnetic component on the glass microspheres leads to an increase in the absorption coefficient A, while the reflection coefficient R decreases compared to composites based on glass microspheres covered only with GNPs

Мікрохвильові властивості ГНП-полімерних композитів з сегрегованою провідною мережею

У роботі представлені результати дослідження електродинамічних і екрануючих характеристик в діапазоні 40-60 ГГц полімерних композитів з графітовими нанопластинками і двома різними типами полімеру. Як полімерну матрицю використовували надвисокомолекулярний поліетилен та поліамід Нейлон 12. Встановлено, що однорідність гранулометричного складу полімеру в композиті сильно впливає на величину перколяційного порогу електропровідності композитів, а саме: чим менша дисперсія розмірів частинок, тим нижчий поріг перколяції. Залежності діелектричної проникності від концентрації наповнювача досліджуваних композитів не мають перколяційної поведінки і майже не залежать від частоти ЕМВ та радіуса полімерних глобул. При цьому однорідність гранулометричного складу позитивно впливає на збільшення поглинання електромагнітних хвиль у матеріалі, що підтверджується більш високими характеристиками поглинання у композитів на основі нейлону порівняно з композитами з поліетиленом.This work presents the results of investigation of the electrodynamic and shielding characteristics in the range of 40-60 GHz of polymer composites with graphite nanoplatelets and two different types of polymers. Ultra-high molecular weight polyethylene and Nylon 12 polyamide were used as a polymer matrix. It was found that the uniformity of the polymer particle size distribution in a composite strongly affects the value of the percolation threshold of the electrical conductivity of composites, namely, the lower the particle size dispersion, the lower the percolation threshold. The dielectric permittivity dependences on the filler concentration of investigated composites do not have percolation behavior and are almost independent of the electromagnetic radiation (EMR) frequency and the radius of polymer globules. At the same time, the uniformity of the particle size distribution has a positive effect on the increase in the absorption of electromagnetic waves in the material, which is confirmed by higher absorption characteristics in nylon-based composites compared to composites with polyethylene