Международная группа учёных с участием профессора МГУ Дмитрия Иванова разработала полимерный материал, способный стать идеальным имплантатом. Результат работы был опубликован 12 ноября 2020 года в одном из самых цитируемых научных журналов мира Advanced Materials. Статья стала продолжением работы по биомиметическим материалам на основе щёточных сополимеров.
Идеи биомиметических (буквально — подражающих живому) материалов учёные берут из жизни. В данном случае велась работа по созданию полимеров, максимально приближенных по свойствам к тканям человеческого организма. В 2018 году профессор Дмитрий Иванов с коллегами синтезировали и изучили искусственный аналог кожи хамелеона: материал, который менял цвет и прочность в зависимости от механического воздействия. Созданная концепция позволяла создавать полимеры, механические свойства которых точно воспроизводили заданные живые ткани человека и животных.
«Раньше мы показали, что наши полимеры могут воспроизводить механическое поведение живых тканей, — рассказал Дмитрий 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 ещё одну функциональность. Теперь наши “умные” полимеры реагируют ещё на один фактор — температуру. Они твердые при комнатной температуре, но при контакте с живым телом (в данной работе — при 37 градусах Цельсия) они 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 счёт 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 так, чтобы она соответствовала температуре тела. Такой материал можно сформовать в виде иглы, которая после введения растекается, потому что её механический модуль меняется на несколько порядков. И вместо иголки получается жидкость, способная заполнять полости.
Как пояснил Дмитрий Иванов, температуру фазового перехода можно подбирать с удивительной точностью. Она может колебаться от комнатной до 50-60 градусов Цельсия. «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 учёные сконцентрированы на том, чтобы понять степень влияния густоты щетки и разветвленности волосков на скорость фазового перехода. «У нас как раз проходит эксперимент на синхротроне в Гренобле, где мы начали изучать детали фазового перехода с помощью рентгеноструктурного анализа».
Как отметил профессор, структурная часть работы сделана в основном в МГУ: «Кое-что сделано в Гренобле, за что им отдельное спасибо, но основная часть работы прошла на дифрактометре Московского университета».
Ещё одним свойством, которое можно использовать в медицине, стало то, что при кристаллизации в иглу из щёточного полимера можно поместить лекарство. И по мере растворения иглы она станет выделять лекарственные вещества: «Наши материалы достаточно многогранны. Мы можем из этих щёток создавать полимерные сетки. И в зависимости от густоты щёток мы можем менять такие параметры, как скорость высвобождения веществ, внедренных в структуру нашего полимерного кристалла. Эта работа у нас только начинается. Проводить мы её планируем в сотрудничестве с новой лабораторией, создаваемой сейчас на химическом факультете МГУ в рамках мегагранта».