Химики превратили воду в гель с помощью света

Ученые предложили новый подход к синтезу альгинатных гидрогелей — упругих материалов на основе полимеров из водорослей. Их можно использовать в качестве клея, а также основы для 3D-печати медицинских изделий. Согласно авторской методике, чтобы получить гидрогели с регулируемой прочностью, нужно просто выдержать на свету водный раствор альгината и комплексного соединения железа. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Chemical Communications.

Бурые и красные водоросли, которые распространены в морях по всему миру, содержат большое количество альгиновой кислоты — полимера с вязкой, резиноподобной текстурой. Соли этой кислоты с различными металлами — альгинатные гидрогели — широко используют в пищевой промышленности в качестве загустителей и в медицине в составе оболочек лекарственных препаратов. Кроме того, подобные соединения можно использовать для 3D-печати биосовместимых медицинских изделий.

Однако существующие сегодня технологии производства альгинатных гидрогелей несовершенны. Чаще всего эти материалы создают, просто добавляя к раствору альгината соль интересующего металла, например железа. Такой состав мгновенно начинает застывать, и в результате получается материал с очень неоднородной структурой: более плотной, гелеобразной снаружи и жидкой внутри, что негативно сказывается на его механических свойствах.

Ученые из Института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова РАН (Москва) Сколковского института науки и технологий (Москва) и Института органической химии имени Н. Д. Зелинского РАН (Москва) предложили новый метод синтеза альгинатных гидрогелей, который позволяет быстро получить однородный материал с регулируемой прочностью.

Авторы решили заменить соли железа на комплексное соединение этого же металла, распадающееся при действии света. Эксперименты показали, что смесь этих компонентов долгое время (до 30 дней) остается жидкой, если находится в темноте. Однако при освещении гель начинает застывать за счет химической реакции между полимером и соединением железа. Из последнего на свету высвобождаются ионы железа, которые «встраиваются» между молекулами альгината, связывая их в сеть. Затвердевание происходит довольно быстро: всего за 30 минут прозрачный раствор превращается в твердое вещество оранжевого цвета. Яркую окраску геля обеспечивают высвободившиеся из комплексного соединения ионы металла.

С помощью предложенной методики исследователи получили четыре варианта альгинатных гидрогелей, отличавшихся содержанием железа. Материалы, в которых доля комплекса железа была равна количеству полимера, оказались в 10 раз прочнее и устойчивее к влаге, чем образцы, где металла было в четыре раза меньше. Это объясняется большим количеством жестких сшивок между нитями полимера, которые образуют ионы железа.

Авторы протестировали наиболее прочный гидрогель в качестве клея для стекла. Для этого небольшое количество раствора нанесли между двумя стеклами и оставили его на свету на 30 минут. Прочность склеивания была такой, что шов выдерживал нагрузки, сопоставимые с давлением 1 килограмма на каждый квадратный сантиметр. Эти значения сравнимы с лучшими гидрогелевыми клеями, при этом новая технология позволяет контролировать точки склеивания за счет облучения. Это гарантирует, что клей распределится между соединяемыми поверхностями равномерно и не застынет раньше времени.

«Предложенная методика значительно упрощает и ускоряет получение альгинатных гидрогелей, не уступающих по прочности лучшим существующим на сегодняшний день аналогам. Полученные нами материалы можно использовать в качестве клея, как мы показали экспериментально, а также при создании медицинских материалов, например, для восстановления нарушенных костных тканей. Однако сначала нужно будет провести дополнительные исследования потенциальной токсичности комплекса железа для человеческого организма», — рассказывает участник проекта, поддержанного грантом РНФ, Дмитрий Перекалин, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник Института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова РАН.