Revista >> Aprilie 2022 [Nr. 243] >> Cercetare & Invatamant superior

Nanotehnologii dezvoltate în INCDTIM transferabile în industrie

Dr. Izabella Craciunescu, INCDTIM Cluj-Napoca

14 Aprilie 2022

Sistemele complexe de nanoparticule magnetice, de tip „core-shell” sau funcționalizate specific sub formă de nanocompozite se află în centrul cercetăriilor actuale, oferind aplicații inovatoare în nanomedicină și biologie, aplicații de recoltare și stocare a energiei, stocare de date, aplicații de detecţie a unor analiţi toxici din mediu, şi, nu în ultimul rând, în multe aplicaţii de remediere a mediului. Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare Tehnologii Izotopice și Moleculare (INCDTIM) din Cluj-Napoca este conectat la aceste preocupări științifice internaționale printr-un Grup dedicat, axat pe utilizarea cunoștințelor generate în dezvoltarea de noi sisteme nanostructurate magnetice avansate cu funcționalitate controlată, în scopul creșterii capacității Institutului de a genera noi produse, tehnologii și modele inovatoare transferabile în industrie. O parte din cele mai reprezentative proiecte și rezultate sunt prezentate în cele ce urmează.

Grupul „Materiale Multifuncţionale şi Compuşi Biologic Activi” din Departamentul Fizica Sistemelor Nanostructurate, din cadrul INCDTIM, are o vastă expertiză în domeniul materialelor avansate și desfășoară activități de cercetare ce vizează obținerea, caracterizarea și testarea aplicațiilor nanostructurilor magnetice hibride, funcționalizate şi a materialelor polimerice cu proprietăți controlate. Câteva din direcţiile care definesc această echipă sunt: nanostructuri hibride funcționalizate pe baza de nanoparticule magnetice și compuși organici cu aplicații în depoluare și medicină; micro/nanogeluri magnetice inteligente pentru aplicaţii în biotehnologii şi nanomedicină; nanoparticule magnetice și clusteri magnetici cu proprietăți controlate pentru aplicații în separare magnetică, depoluare, nanomedicină și securitate; polimeri/copolimeri cu proprietăți speciale pentru aplicații în industria farmaceutică și medicină.

Nanoparticule magnetice cu arhitectură controlată
Nanoparticulele magnetice sunt cunoscute ca materiale cu multiple aplicaţii în nanotehnologie. Acest tip de material oferă posibilitatea procesării controlate în mod dual, atât de câmpul magnetic aplicat, cât şi printr-un design adecvat al proprietăţilor de suprafaţă.
În cadrul grupului, a fost dezvoltată o nouă metodă de preparare a nanocompozitelor magnetice şi anume metoda decompoziţiei termice din precursori organici, care reprezintă o metodă axată pe controlul riguros al dimensiunii şi formei nanoparticulelor magnetice. Această metodă permite obţinerea de nanoparticule magnetice de tip magnetită (Fe3O4) sau ferite (MnFe2O4, ZnFe2O4, CoFe2O4) cu următoarele caracteristici semnificativ îmbunătăţite faţă de variantele clasice:
• Dimensiune ajustabilă în domeniul 10-100 nm;
• Formă ajustabilă în funcţie de aplicaţia vizată (sferică, cubică sau poliedrică);
• Îmbunătăţiri semnificative ale proprietăţilor magnetice, prin creşterea valorii magnetizării de saturaţie;
• Posibilitatea funcţionalizării suprafeţei cu straturi anorganice/organice, polimerice sau biocompuşi.

Noile materiale magnetice obţinute prin metoda decompoziţiei termice şi funcţionalizate specific aplicaţiei vizate reprezintă materiale avansate cu arhitectură controlată cu potenţial aplicativ ridicat în domeniul separării magnetice a unor biomolecule; a terapiei prin hipertermie magnetică şi în trasportul dirijat al unor medicamente antitumorale la ţintă.
În cadrul acestei direcţii de cercetare, una din cele mai semnificative realizări o reprezintă participarea grupului la un proiect internațional FP7-NMP - MAGPRO²LIFE - Advanced magnetic nanoparticles deliver smart processes and products for life, în cadrul căruia au fost realizate cercetări privind încapsularea nanoparticulelor magnetice în structuri de microgeluri schimbătoare de cationi și anioni şi aplicarea noilor materiale în recunoașterea specifică și separarea magnetică a unor moleculelor biologice de interes. După sinteza la nivel de up-scaling a microgelurilor magnetice a avut loc testarea cu succes a acestor materiale la Karlsruhe Institute of Technology, Germania și la compania SOLAE Danemarca pentru separarea magnetică a unei proteine (BBI) din soia. În colaborare a fost elaborat un capitol de carte „Magnetic Microgels: Synthesis and Characterization” (R.Turcu, I.Craciunescu, A.Nan) în volumul „UPSCALING OF BIO-NANO-PROCESSES – Selective Bioseparation by Magnetic Particles” – Hermann Nirschl, Karsten Keller ed., Springer, 2014.
De asemenea, metoda de preparare a nanoparticulelor magnetice cu formă şi dimensiune controlatăa fost utilizată cu succes în cadrul proiectului PN-III-P1-1.2-PCCDI-2017-0062, contract no. 58 PCCDI/2018, Noi metodologii de diagnosticare şi tratament: provocări actuale şi soluţii tehnologice bazate pe nanomateriale şi biomateriale, în cadrul căruia noile nanoparticule magnetice funcţionalizate cu proprietăţi magnetice îmbunătăţite au fost testate în măsurători de hipertermie, fiind raportate valori ridicate ale eficienţelor termice.

Materiale inovative de tip clusteri magnetici cu proprietăţi controlate
Clusterii magnetici reprezintă asamblarea controlată a nanoparticulelor magnetice cu proprietăţi riguros controlate din parametrii de sinteză. Din categoria nanomaterialelor magnetice recent dezvoltate pentru aplicaţii în biotehnologii, clusterii magnetici au câştigat interes deosebit deoarece oferă caracteristici unice în ceea ce priveşte manipularea cu ajutorul câmpului magnetic. Momentul magnetic al unei particule de cluster este cu cel puţin două ordine de mărime mai mare decât al unei nanoparticule magnetice individuale funcţionalizate, păstrând în acelaş timp comportamentul superparamagnetic.
Materialele avansate magnetoresponsive de tip clusteri magnetici oferă posibilitatea aplicaţiilor pentru:
• Noi tehnologii de separare magnetică a unor biomateriale de interes;
• Noi tehnologii de separare magnetică a unor poluanţi din mediu şi posibilitatea reciclării materialelor utilizate, reducând la minim poluarea secundară;
• Noi tehnologii de securizare magnetică a hârtiei;
• Dezvoltarea de noi fluide magnetoreologice pentru dispozitive care folosesc etanşarea magnetică.

Aplicaţii ale clusterilor magnetici pentru hârtia securizată
Hârtia utilizată la documente oficiale – bancnote, documente bancare, acte de identitate sau de studiu – se încadrează în categoria hârtiei securizate. Pentru a elimina pericolul falsificării, este necesar ca acest tip de hârtie să conţină elemente de securitate complexe. Pentru aplicaţii specifice în domeniul securității, hârtia securizată magnetic, obţinută prin înglobarea în celuloză a unor clusteri magnetici cu proprietăţi controlabile, reprezintă o alternativă îmbunătăţită la sistemele de securizare actuală. Pentru această aplicaţie clusterii magnetici sunt acoperiţi cu strat cu grosime controlată de SiO2, în scopul modificării proprietăţilor de suprafaţă şi obţinerii culorii adecvate pentru înglobarea în pasta de celuloză uzilizată în obţinerea hârtiei.

În cadrul proiectului PN-II-PT-PCCA-2013, Contract nr.280/2014 - Hârtie securizată cu nanoparticule magnetice, a fost dezvoltată metoda de preparare a hârtiei securizate magnetic, la scală de laborator, cu un grad înalt de securizare pentru hârtii, prin înglobarea în pasta de celuloză de nanoclusteri magnetici compoziţi. Ca rezultat semnificativ al cercetărilor în această direcţie, a avut loc transferarea tehnologiei de producere a hârtiei securizate magnetic, cu un grad înalt de securizare, celor doi parteneri industriali S.C.CEPROHART S.A. Brăila şi S.C. ROSEAL S.A.

Clusteri magnetici cu proprietăți controlate pentru dezvoltarea unor noi aplicații pentru separare magnetică şi dispozitive magnetoreologice
În cadrul proiectului POC-A1-A1.2.3-G-2015, Contractul de finanțare nr. 18/01.09.2016, Contract subsidiar Nr. 270/25.06.2018, Creșterea Capacității De Transfer Tehnologic Și De Cunoștințe A Incdtim Cluj În Domeniul Bioeconomiei, Subcontract: „Clusteri Magnetici Cu Proprietăți Controlate Pentru Dezvoltarea Unor Noi Aplicații Pentru Separare Magnetică Și Dispozitive Magnetoreologice” au fost elaborate două tehnologii de preparare a clusterilor magnetici hidrofili şi hidrofobi, la nivel de laborator, pentru obținerea de noi fluide magnetoreologice compozite, aceste tehnologii fiind transferate ulterior agentului economic ROSEAL S.A. Tot în baza acestor cercetări au fost depuse două cereri de brevet privind „Procedeu de obţinere a clusterilor magnetici cu magnetizaţie ridicată pe bază de nanoparticule de magnetită şi particule de FeCo/Al2O3” şi „Clusteri magnetici hidrofobi pe bază de nanoparticule de magnetită şi polistiren reticulat”.