Биоразлагаемый полимер получили в мягких условиях с помощью суперкислоты

Ученые предложили новый метод получения синтетического биоразлагаемого полимера поликапролактона с помощью суперкислоты, активность которой значительно превосходит традиционные катализаторы. Этот метод позволяет синтезировать поликапролактон с высокой молекулярной массой, что повышает его прочность — важное свойство для материалов на основе этого полимера, таких как искусственные хрящевые и костные ткани. Кроме того, реакция протекает в мягких условиях и может быть легко масштабирована для промышленного производства. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале European Polymer Journal.

Биоразлагаемые полимеры самостоятельно разрушаются в условиях окружающей среды до безопасных компонентов, поэтому их использование не приводит к загрязнению почвы и воды пластиком. Один из таких полимеров — поликапролактон. Он отличается высокой прочностью и биосовместимостью, благодаря чему используется в медицине для создания искусственных хрящевых и костных тканей, а также имплантатов. Кроме того, этот материал химически устойчив, поэтому не нуждается в особых условиях хранения.

Поликапролактон получают в результате полимеризации, при которой малые молекулы становятся звеньями одной длинной цепи. Этот процесс протекает в присутствии катализаторов — веществ, ускоряющих химическую реакцию. Традиционно для получения поликапролактона используют катализаторы на основе олова, однако они токсичны и позволяют проводить реакцию только в жестких условиях, при температурах выше 120°С. Поэтому ученые ищут более безопасные и эффективные альтернативы.

Исследователи из Института элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН (Москва) и Сямэньского университета (Китай) предложили использовать кислоту Кроссинга, которая значительно сильнее серной, в качестве катализатора для получения поликапролактона. Авторы смешали кислоту Кроссинга, исходное вещество-мономер (капролактон), а также органическое соединение, запускающее полимеризацию — и нагрели до 60°С. В таких мягких условиях смесь оставили на сутки при постоянном перемешивании.

Авторы обнаружили, что кислота Кроссинга не только высокоэффективна, но и универсальна. Она превосходит по силе другие известные кислотные катализаторы для синтеза поликапролактона, например, трифторметансульфоновую кислоту, и позволяет синтезировать поликапролактон, который состоит примерно из 950 звеньев (мономеров). Такие высокомолекулярные соединения обладают улучшенными механическими свойствами и долго не разрушаются, что делает их подходящими для медицинских применений.

Исследователи также подобрали оптимальные условия полимеризации, при которых реакция идет максимально эффективно и может протекать как в растворе, так и в отсутствие растворителя («в массе»), при комнатной или слегка повышенной температуре. Поэтому метод отличается не только энергоэффективностью и возможностью масштабирования, но и высокой гибкостью, что дает возможность применять его для решения различных задач. Например, изменяя температуру и тип растворителя, можно подобрать условия для сополимеризации — получения конечного полимера из нескольких разных полимеров.

Ученые также показали, что можно управлять процессом роста полимера и получать молекулы с нужной длиной. С помощью гельпроникающей хроматографии — метода, позволяющего определить молекулярную массу и длину цепи больших молекул, — авторы подтвердили, что длина цепи полимера линейно увеличивалась в процессе синтеза. При этом на каждом этапе полимеризации поликапролактона большинство молекул имело одинаковую длину. Контролируя длину полимерных цепей, можно проектировать материалы с определенной прочностью и гибкостью и разрабатывать новые биосовместимые конструкции для протезирования. Управление длиной цепи также позволяет создавать блок-сополимеры — сложные структуры, состоящие из разных полимерных блоков, которые могут использоваться, в том числе, для создания мембран с нужной пористостью.

«Утилизация пластиковых отходов — одна из наиболее серьезных проблем, с которыми сталкивается общество. Возможным решением стала бы замена традиционных пластиков на биоразлагаемые. Они уже нашли применение в качестве материалов для медицины, однако для широкого использования нужно разработать оптимальную методику синтеза. Мы обнаружили эффективный катализатор — кислоту Кроссинга — для синтеза поликапролактона. Высокая активность катализатора позволила не только осуществлять контролируемый синтез полимера в мягких условиях, но и проводить реакцию при использовании очень малого количества катализатора. Это выгодно отличает используемый в данной работе катализатор от классической системы на основе более токсичного олова», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Андрей Козлов, кандидат химических наук и научный сотрудник Института элементоорганических соединений имени А.Н. Несмеянова РАН.

В дальнейшем исследователи планируют продолжать адаптировать метод для промышленного применения. Учитывая гибкость условий и возможность контролировать процесс полимеризации поликапролактона, исследователи надеются разработать эффективный метод промышленного получения не только уже доступных на мировом рынке полимеров (с длиной цепи до 700 звеньев), но и соединений со значительно более высокой молекулярной массой.