Международная группа ученых с участием профессора МГУ имени М.В. Ломоносова Дмитрия Иванова разработала полимерный материал, способный стать идеальным имплантатом. Работа опубликована в одном из самых цитируемых научных журналов Advanced Materials. Статья стала продолжением работы по биомиметическим материалам на основе щеточных сополимеров.
Идеи биомиметических (буквально «подражающих живому») материалов ученые берут из жизни. В данном случае велась работа по созданию полимеров, максимально приближенных по свойствам к тканям человеческого организма. В 2018 году профессор Иванов с коллегами синтезировал и изучил искусственный аналог кожи хамелеона – материал, который меняет цвет и прочность в зависимости от механического воздействия. Эта концепция позволяет создавать полимеры, которые точно воспроизводят свойства тканей человека и животных.
«В прежней работе мы показали, что наши полимеры могут воспроизводить механическое поведение живых тканей, – рассказывает профессор Иванов, – причем они могут программироваться. Мы можем воспроизвести любую кривую, соответствующую деформации живых тканей. То есть наши полимеры тянутся до нужного предела и затем становятся намного прочнее. А сейчас мы добавили к этим системам еще одну функциональность. Теперь наши „умные“ полимеры реагируют еще на один фактор – температуру. Они твердые при комнатной температуре, но при контакте с живым телом (в данной работе – при 37 градусах Цельсия) превращаются в жидкость. За счет такого фазового перехода при имплантации полимеры могут растекаться и заполнять полости в организме, создавая имплантат идеальной формы».
Идеал достигается за счет того, что в полимере рушатся связи между боковыми цепями щеточки. Именно боковые цепи этой щеточки способны кристаллизоваться, создавая твердую кристаллическую фазу. Исследователи подобрали температуру плавления щеточек, чтобы она соответствовала температуре тела. Такой материал можно сформовать в виде иглы, которая после введения растекается, потому что ее механический модуль меняется на несколько порядков. И вместо иголки получается жидкость, способная заполнять полости.
Температура фазового перехода может колебаться от комнатной до 50–60 °С. Как пояснил Дмитрий Иванов, она подбирается с удивительной точностью: «В данном случае мы сделали порог перехода в районе 37 градусов, настроив его на температуру человеческого тела, но можно подогнать параметры под любых животных».
Сейчас ученые хотят понять, как степень густоты щетки и разветвленности волосков влияет на скорость фазового перехода. На синхротроне в Гренобле (Франция) сейчас проходит эксперимент, в ходе которого детали фазового перехода изучаются с помощью рентгено-структурного анализа. Как отметил профессор Иванов, структурная часть работы сделана в основном в МГУ: «Кое-что сделано в Гренобле, за что им отдельное спасибо, но основная часть ислледований проведена на дифрактометре Московского университета».
У исследуемого материала есть и еще одно свойство, которое можно использовать в медицине: при кристаллизации в иглу из щеточного полимера можно поместить лекарство. И по мере растворения иглы она станет выделять лекарственные вещества. «Мы можем создавать из этих щеток полимерные сетки и в зависимости от густоты щеток менять такие параметры, как скорость высвобождения веществ, внедренных в структуру полимерного кристалла. Эта работа только начинается. Проводить мы ее планируем в сотрудничестве с новой лабораторией, создаваемой сейчас на химическом факультете МГУ в рамках мегагранта».
Фото: Лаборатория Дмитрия Иванова в МГУ
Идеи биомиметических (буквально «подражающих живому») материалов ученые берут из жизни. В данном случае велась работа по созданию полимеров, максимально приближенных по свойствам к тканям человеческого организма. В 2018 году профессор Иванов с коллегами синтезировал и изучил искусственный аналог кожи хамелеона – материал, который меняет цвет и прочность в зависимости от механического воздействия. Эта концепция позволяет создавать полимеры, которые точно воспроизводят свойства тканей человека и животных.
«В прежней работе мы показали, что наши полимеры могут воспроизводить механическое поведение живых тканей, – рассказывает профессор Иванов, – причем они могут программироваться. Мы можем воспроизвести любую кривую, соответствующую деформации живых тканей. То есть наши полимеры тянутся до нужного предела и затем становятся намного прочнее. А сейчас мы добавили к этим системам еще одну функциональность. Теперь наши „умные“ полимеры реагируют еще на один фактор – температуру. Они твердые при комнатной температуре, но при контакте с живым телом (в данной работе – при 37 градусах Цельсия) превращаются в жидкость. За счет такого фазового перехода при имплантации полимеры могут растекаться и заполнять полости в организме, создавая имплантат идеальной формы».
Идеал достигается за счет того, что в полимере рушатся связи между боковыми цепями щеточки. Именно боковые цепи этой щеточки способны кристаллизоваться, создавая твердую кристаллическую фазу. Исследователи подобрали температуру плавления щеточек, чтобы она соответствовала температуре тела. Такой материал можно сформовать в виде иглы, которая после введения растекается, потому что ее механический модуль меняется на несколько порядков. И вместо иголки получается жидкость, способная заполнять полости.
Температура фазового перехода может колебаться от комнатной до 50–60 °С. Как пояснил Дмитрий Иванов, она подбирается с удивительной точностью: «В данном случае мы сделали порог перехода в районе 37 градусов, настроив его на температуру человеческого тела, но можно подогнать параметры под любых животных».
Сейчас ученые хотят понять, как степень густоты щетки и разветвленности волосков влияет на скорость фазового перехода. На синхротроне в Гренобле (Франция) сейчас проходит эксперимент, в ходе которого детали фазового перехода изучаются с помощью рентгено-структурного анализа. Как отметил профессор Иванов, структурная часть работы сделана в основном в МГУ: «Кое-что сделано в Гренобле, за что им отдельное спасибо, но основная часть ислледований проведена на дифрактометре Московского университета».
У исследуемого материала есть и еще одно свойство, которое можно использовать в медицине: при кристаллизации в иглу из щеточного полимера можно поместить лекарство. И по мере растворения иглы она станет выделять лекарственные вещества. «Мы можем создавать из этих щеток полимерные сетки и в зависимости от густоты щеток менять такие параметры, как скорость высвобождения веществ, внедренных в структуру полимерного кристалла. Эта работа только начинается. Проводить мы ее планируем в сотрудничестве с новой лабораторией, создаваемой сейчас на химическом факультете МГУ в рамках мегагранта».
Фото: Лаборатория Дмитрия Иванова в МГУ