Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 7, стр. 882-884

Интерес в области исследования многофункциональных композитов обусловлен “умными” свойствами таких материалов, а также широкой областью их практического применения. Одним из ярких примеров таких материалов являются магнитоактивные эластомеры (МАЭ), представляющие собой упругую полимерную матрицу с распределенными ферромагнитными микро- или наноразмерными частицами. Магнитоактивные эластомеры не только демонстрируют свойственный ферромагнетикам отклик на магнитное поле и закономерности упругого поведения полимера, но также проявляют ряд особенных свойств, возникающих в результате взаимодействия наполняющих частиц и матрицы, – магнитореологический эффект и эффект памяти формы, магнитодеформационный эффект и т.д. [1–4]. При этом большинство этих эффектов в композитном эластомере возникает из-за изменения взаимодействия ферромагнитных частиц друг с другом под действием внешнего магнитного поля и последующего их перераспределенияв матрице. Быстрый выраженный отклик МАЭ на магнитное поле позволяет использовать их в самых разнообразных областях, в частности, в качестве материала для элементов амортизирующих устройств, а также в биомедицинских устройствах и сенсорах [5–7].

Ранее [8, 9] была предложена конструкция фиксатора сетчатки глаза с использованием МАЭ в качестве материала внутренней пломбы. Внешняя пломба представляла собой силиконовую лентус закрепленными в ней постоянными магнитами из сплава неодим–железо–бор. Магнитостатическое взаимодействие внешней и внутренней пломб обеспечивает фиксацию сетчатки на глазном дне (рис. 1). Измерения сил взаимодействия постоянных магнитов и внутренних пломб из МАЭ подтвердили, что предлагаемая конфигурация фиксатора обеспечивает приемлемое для дальнейшего хирургического использования давление.

Рис. 1.

Схематическое изображение фиксатора сетчатки глаза: 1 – внешняя пломба, 2 – внутренняя МАЭ лента, 3 – сетчатка глаза.

Тем не менее для совершенствования предлагаемой конструкции фиксатора актуальным остается вопрос о создании внешней магнитной пломбы произвольной формы. С этой целью были исследованы магнитнотвердые пломбы на основе частиц сплава неодим–железо–бор и силиконовой связующей компоненты. Используемые материалы содержали различные доли ферромагнитных частиц. В материале первого типа содержались частицы сплава неодим–железо–бор и карбонильного железа в соотношении 5 : 1 в общей массовой концентрации 80%. Магнитнотвердый наполнитель в этом случае определяет величину магнитного сигнала пломбы, а магнитномягкий наполнитель вводится для увеличения общей магнитной восприимчивости композита и стабилизации магнитнотвердого наполнителя в объеме матрицы. Материал второго типа содержал частицы сплава неодим–железо–бор в концентрации порядка 90 мас. %. Используемые частицы сплава неодим–железо–бор имели неправильную форму и размеры 0–100 мкм. Частицы были обработаны раствором петролейного эфира с 0.5% силикона. Частицы карбонильного железа имели сферическую форму и средний размер 4.5 мкм. Их поверхность также была обработана силиконом. Модификация поверхности частиц позволяет избежать их прямого контакта с живыми тканями. Более того, конечная магнитнотвердая пломба также может быть покрыта слоем медицинского силикона, что обеспечит биосовместимость элементов фиксатора сетчатки. Магнитные свойства магнитно-твердых композитов представлены на рис. 2. Из материалов обоих типов были вырезаны пломбы с поверхностью 4 × 8 мм и намагничены в поле постоянного магнита 16 кЭ.

Рис. 2.

Петли гистерезиса магнитно-твердых материалов различных типов.

В качестве внутренней пломбы использовались образцы магнитоактивных эластомеров с площадью 4 × 8 мм и толщиной 0.1 мм, содержащие 52, 62, 70 и 76 мас. % частиц карбонильного железа. Технология изготовления материалов описана в работе [8].

Силы взаимодействия между пломбами были измерены с помощью установки, собранной на основе электронных весов [8]. Измерения проводились при расположении внутренней пломбы над центром магнитной внешней пломбы.

Численное моделирование взаимодействия образцов МАЭ с магнитными пломбами было выполнено при помощи метода конечных элементов в ПО Comsol Multiphysics. Для расчетной области решали уравнения Максвелла с магнитной пломбой в качестве источника поля. Распределение и характеристики намагниченности пломбы с порошком неодим–железо–бор были получены в результате непосредственных симуляций процесса намагничивания тела с геометрическими и магнитными параметрами, соответствующими реальным. Зависимость магнитных свойств МАЭ от приложенного поля задавалась моделью Ланжевена с параметрами, определяемыми из петель гистерезиса для образца заданной концентрации. Более подробно процесс моделирования описан в [8, 9].

Увеличение намагниченности, возникающее в результате увеличения концентрации железного порошка в МАЭ, приводит к усилению взаимодействия рассматриваемых пломб (табл. 1). Стоит также отметить, что силы взаимодействия МАЭ ленты с магнитно-твердыми пломбами из материала второго типа с большей концентрацией частиц неодим–железо–бор (90%) в 2–4 раза больше, чем для магнитно-твердых пломб из материала первого типа (наполнение 80 мас. % Fe + NdFeB). Величины создаваемых давлений для этих пломб близки к тем, что были получены ранее для систем однонаправленных постоянных магнитов [8]. Результаты моделирования имеют близкие к экспериментальным данным значения давления и с учетом статистической погрешности измерений хорошо описывают наблюдаемую зависимость (табл. 1).

Таким образом, использование композитных материалов на основе магнитно-твердого порошка неодим–железо–бор может служить альтернативой коммерчески доступным постоянным магнитам в качестве материала для элемента фиксатора сетчатки глаза, поскольку композитные материалы обеспечивают возможность синтеза образцов произвольной формы, привязанной к конкретным размерам глазного яблока, на котором проводится хирургическое вмешательство.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 16-15-00208).