Nanoparticles Transport Using Polymeric Nano- and Microgranules: Novel Approach for Advanced Material Design and Medical Applications

Abstract

The results of practical implementation of new technology of nanoparticles transport for advanced material design and medical applications are presented. As model objects, porous piezoceramics, and ceramic matrix piezocomposites were chosen. Different types of polymeric microgranules filled and/or coated by metal-containing nanoparticles were used for pilot samples fabrication. Polymeric nano- and microgranules were examined using transmission and scanning electron microscopy as well as by EXAFS and X-ray emission spectroscopy. Polymeric nano- and microgranules, coated or filled with different chemicals, were introduced in raw ceramics powders with successive porous ceramics or composite fabrication processes. A pilot samples of nano- and microporous ceramics and composites based on different piezoceramics compositions (PZT, lead-potassium niobate and lead titanate) were fabricated and tested. Resulting ceramic matrix piezocomposites were composed by super lattices of closed or open pores filled or coated by nanoparticles of metals, oxides, ferromagnetics etc. embedded in piezoceramic matrix. Dielectric and piezoelectric parameters of a pilot samples were measured using piezoelectric resonance analysis method. New family of nano- and microporous piezoceramics and ceramic matrix piezocomposites are characterized by a unique spectrum of the electrophysical properties unachievable for standard PZT ceramic compositions and fabrication methods. The developed technology of nanoparticles fabrication and transport can be used also for advanced medical applications such as gene and drug delivery, cancer and neurodegenerative decease therapy etc.

Представлены результаты практической реализации новой технологии транспорта наночастиц для проектирования новых материалов и медицинских применений. В качестве модельных объектов были выбраны пористые пьезокерамики и керамоматрияные композиты. Для изготовления пилотных образцов использовались различные типы полимерных микрогранул, заполненных и/или покрытых наночастицами металлов. Полимерные нано- и микрогранулы исследовались с использованием трансмиссионной и сканирующей электронной микроскопии, а также с помощью EXAFS и рентгеновской эмиссионной спектроскопии. Полимерные нано- и микрогранулы, покрытые или заполненные различными химическими соединениями, вводились в синтезированные порошки керамики с последующими процессами получения пористых керамик и композитов. Изготовлены и исследованы экспериментальные образцы нано- и микропористой керамики и композитов на основе различных пьезокерамических композиций (PZT, ниобат свинца-калия и титанат свинца). Полученные керамоматричные пьезокомпозиты представляли собой суперрешетки замкнутых или открытых пор, заполненных или покрытых наночастицами металлов, оксидов, ферромагнетиков и пр., встроенных в пьезокерамическую матрицу. Диэлектрические и пьезоэлектрические параметры пилотных образцов измерялись с использованием метода пьезоэлектрического резонансного анализа. Новое семейство нано- и микропористых пьезокерамик и керамоматричных пьезокомпозитов характеризуется уникальным спектром электрофизических свойств, недостижимых для стандартных керамических композиций PZT и методов изготовления. Разработанная технология изготовления и транспортировки наночастиц может использоваться также для современных медицинских применений, таких как доставка генов и лекарств, лечение рака и нейродегенеративных заболеваний и т.п.