Новые полимеры с памятью формы помогут развитию биомедицины
В России могут появиться биосовместимые полимеры на основе «умного» материала (полиэпсилонкапролактона), который запоминает форму. Такие полимеры востребованы в биомедицинских целях. Над технологией создания работает международный коллектив ученых, в составе которого специалисты Уральского федерального университета (УрФУ). Полимерные материалы на основе полиэпсилонкапролактона используют в хирургии, клеточной инженерии, регенеративной медицине. Из них можно изготавливать устройства для малоинвазивных хирургических операций (с минимальными разрезами), самозатягивающиеся хирургические нити и так далее. Описание нового материала опубликовано в The Journal of Physical Chemistry B.
«Особенностью полимеров с памятью формы является возможность восстановить изначальную форму при изменении температуры. Выглядит это следующим образом: изготавливается полимерное изделие с некоторой “запрограммированной” формой. Затем это изделие деформируется произвольным образом, например, растягивается или сворачивается, как хирургическая нить. При нагреве до определенной температуры в полимере активируется механизм памяти, заложенный на молекулярном уровне, и изделие восстанавливает изначально заданную форму», – рассказывает руководитель лаборатории моделирования многофазных физико-биологических сред УрФУ Илья Стародумов.
Производством полиэпсилонкапролактона занимаются несколько крупных мировых центров, вокруг которых выстраивается инженерно-химическая промышленность по производству изделий из данного сырья. Однако в России производство материала развито мало. Ученые отмечают, что исследования могут повысить интерес к разработке таких полимеров в целом и конкретных изделий из них в частности.
Подход уральских исследователей основан на моделировании. Они создали компьютерную модель молекулярной структуры полимера, которая улучшила характеристики материала и технологию его изготовления на молекулярном уровне.
«Наша часть работы заключается в том, чтобы виртуально воспроизвести полимеризацию на молекулярном уровне. Это необходимо для того, чтобы в деталях изучить процесс «сшивания» отдельных макромономеров в полимерную сеть. Таким образом мы исследуем технологический процесс создания полимера на уровне отдельных молекул», – поясняет Илья Стародумов.
По словам ученого, при создании компьютерной молекулярной модели важно точно подобрать так называемое силовое поле – набор силовых характеристик атомов, определяющих то, как они взаимодействуют друг с другом и с окружающей средой. Если представить, что атомы в молекуле соединены пружинками, то силовые поля – это их характеристики. Задача научного коллектива – сравнить альтернативные силовые поля в применении к молекулам и выбрать наилучшее из них. «Правильно подобранное силовое поле позволило нам определить, что данный материал обладает характерными качествами полукристаллического полимера с подходящими для будущих изделий термодинамическими характеристиками. Изначально мы полагали, что биополимеры можно моделировать с помощью силового поля OPLS, широко применяющегося для описания белковых цепочек. Сопоставляя разработанную OPLS-модель с моделью, использующей более традиционное для таких задач силовое поле, а также с экспериментальными данными, нам удалось подтвердить гипотезу», – добавляет руководитель лаборатории моделирования многофазных физико-биологических сред УрФУ.
В итоге модель уральских физиков позволяет объяснять характеристики полимеров в разных условиях, а также предсказывать свойства материала при изменении технологии синтеза или во взаимодействии с биологическими средами.
Ученые планируют продолжить работу по развитию молекулярных моделей. Следующим этапом исследований станет моделирование характеристик уже «сшитой» полимерной сети.