Доставить лекарство по «точному адресу», распылить солнечную батарею на крыше, решить проблему нехватки пресной воды и создать импланты, неотличимые по свойствам от оригинала, — все это позволят сделать умные полимеры. О результатах и перспективах этого направления рассказывают заведующий лабораторией инженерного материаловедения МГУ и лабораторией функциональных органических и гибридных материалов МФТИ Дмитрий Иванов и его сотрудники.
Оригинал статьи опубликован на сайте журнала «За науку» Московского Физико-Технического Института.
Полимерная революция началась в 40-х годах XX века, когда люди впервые отказались от естественных, натуральных материалов и синтезировали то, чего никогда в природе не было. Яркий пример — нейлоны, полиамиды и полиэтилен. Такой абсолютно искусственный материал, как полиэтилен, оказался уникальным по своим структурам и механическим свойствам: волокно полиэтилена, например, прочнее стали. Корреляции между структурами материалов и их свойствами стали выделяться в целое направление материаловедения, ученые начали специально заниматься изучением таких корреляций для создания новых функциональных материалов — так родилась наука о полимерах.
Битва за специализацию
В 60-е годы считалось, что будущее за специализированными полимерами. Тогда казалось, что совсем скоро будут открыты полимерные материалы, идеально подходящие каждый для своей задачи, и многотоннажное производство универсальных пластиков сократится.
Это предсказание не сбылось, индустрия специализированных полимеров с годами не выросла. Это связано с тем, что все промышленное производство сегодня, как и полвека назад, оптимизировано под отдельные универсальные полимеры, и перестраивать его очень дорого. Основное усилие разработчиков на протяжении полувека остается направленным на то, чтобы научиться контролировать макромолекулярную структуру и свойства полимера. Сегодняшние универсальные пластики — такие, как полипропилен — это совсем не те материалы, которые выпускались под теми же названиями десятилетия назад. Как правило, это целые семейства сополимеров с разными свойствами.
Но сегодня к специализированным полимерам возвращаются — правда, пока что чаще в университетских лабораториях, чем в заводских цехах. Современные технологии позволяют получать полимеры с удивительными свойствами — и решать с их помощью невероятные задачи, от опреснения воды до адресной доставки лекарств. О том, как и зачем делают «умные» полимеры, рассказывают заведующий лабораторией инженерного материаловедения МГУ и лабораторией функциональных органических и гибридных материалов МФТИ Дмитрий Иванов и его сотрудники.
Полный контроль
Умные полимеры обладают способностью сильно реагировать на относительно слабое внешнее воздействие. Они могут резко изменить форму или состояние при перемене температуры, влажности, кислотности, освещения. Эти материалы реагируют даже на самое малое внешнее возмущение. Можно, например, излучением вызывать изменение в конформации полимерных цепочек, которое приведет к глобальной перестройке всей структуры полимера. Классические материалы — сплавы, керамика — состоят из достаточно простых кирпичиков: атомов, ионов или соединений из нескольких атомов. Поэтому для них подобные сильные отклики на малое внешнее возмущение практически недостижимы.
«Область, в которой мы работаем, называется «сложные жидкости». Это еще один термин для обозначения «умных» материалов. В каждом элементарном «кирпичике» такого материала могут быть десятки и даже сотни атомов, которые составляют мономер. Из этих мономеров мы выстраиваем полимерную цепочку. Структурная сложность мономеров обусловливает сложность взаимодействий между ними. В силу того, что материал организован в широком диапазоне шкал (от ангстремов до сотен нанометров), он обладает богатой палитрой возможных взаимодействий», — рассказывает директор исследований при французском Национальном центре по научным исследованиям, заведующий лабораторией инженерного материаловедения МГУ и лабораторией функциональных органических и гибридных материалов МФТИ Дмитрий Иванов.
Сейчас развивается целое направление, связанное с микророботами на основе мягких сред (мягкие среды — еще одно называние этих материалов). Под действием излучения в них можно вызывать механические деформации микрообъектов — и двигать их в нужном направлении.
«К примеру, полимер растворяется в воде при температуре ниже 31℃. Как только температура превышает 31℃, полимер претерпевает фазовое превращение, полимерные цепочки рвутся, полимерная матрица резко сокращается, и объект начинает двигаться. Такие объекты из наночастиц (в нашем случае — золотых) называются микроплывунами; воздействуя на них инфракрасными лазерными импульсами, мы заставляем их плыть в нужную сторону. Когда-нибудь плывуны будут играть большую роль в наномедицине», — поясняет сотрудник лаборатории Егор Берсенев.
Другой пример — создание специальных многослойных микро- и даже нано-размерных пузырей для доставки лекарств. Направляя на пузырь излучение с определенной длиной волны, можно вызвать фазовый переход, — оболочка раскроется, и лекарство, которое находилась внутри пузыря, высвободится в том месте организма, в котором нужно. Так можно доставлять токсичные лекарственные препараты к раковым опуходям: чем точнее доставка, тем меньше нужна доза, и тем слабее побочные эффекты.
Лишняя соль
Умные пластмассы можно использовать и для опреснения воды. «Сейчас на Физтехе реализуется международный проект, в котором мы пытаемся создать синтетические полимеры, имеющие селективное сродство с катионами щелочных металлов. Одна из целей этого проекта — создать новое поколение систем для опреснения воды, — рассказывает Егор Берсенев. — Химически удалить ионы натрия из водной среды невозможно. Наши полимеры — это достаточно простые макромолекулы, имеющие в своем составе электростатические заряды, так называемые полиэлектролиты. Они селективно связывают катионы натрия в воде, после чего выпадают в осадок».
Идея заключается в использовании полиэлектролитов нового поколения, которые связывают натрий в растворе по схеме «ключ — замок». Структура полиэлектролита такова, что катион натрия идеально подходит для захвата отрицательно заряженными группами. После захвата полиэлектролит выпадает в осадок вместе с натрием, и жидкость из соленой превращается в слабокислую (из-за хлора); такую воду можно пить.
Этот проект реализуется в сотрудничестве с французскими химиками-синтетиками. первые мембраны на их основе планируется создать уже в 2019 году.
Органическая электроника
«Еще одно направление нашей работы — разработка органических солнечных батарей. Это тонкопленочные устройства толщиной от 50 до 100 нанометров, которые конвертируют свет в электроэнергию. В чем их возможные преимущества перед кремниевыми? Органические солнечные панели тонкие — а значит, мы расходуем совсем немного материала на единицу площади. А еще они сравнительно дешевые. Представьте: человек с тремя баллончиками спрея поднимется на крышу: из первого баллончика на кровлю наносится электрод, из второго — донор, из третьего — акцептор, потом опять электрод, — и крыша превращается в солнечную батарею. К сожалению, КПД такой батареи пока невысок, а стабильность достаточно низкая. Эти проблемы еще предстоит», — уточняет сотрудник лаборатории Кирилл Герасимов. Тем не менее, эта область бурно развивается. И речь не только об органических солнечных батареях, но и о транзисторах, сенсорах и другой микроэлектронике. Совсем скоро такие устройства наводнят рынок, уверены в лаборатории. Возможно, это будут решения для зарядки портативной техники. Представьте: вы идете в поход и распыляете на рюкзак чувствительный органический фотоэлемент; вы идете, а он заряжает ваш телефон.
Полимерные импланты
Дмитрий Иванов, директор исследований при французском Национальном центре по научным исследованиям, заведующий лабораторией инженерного материаловедения МГУ и лабораторией функциональных органических и гибридных материалов МФТИ:
— Мы работаем с людьми, которые помогают нам моделировать новые материалы. В частности, те материалы, которые будут имитировать свойства мягких тканей организма: кожи, жировой ткани. Наша команда разрабатывает материалы, которые будут точно воспроизводить индивидуальные свойства пациента. Было обнаружено, что индивидуальные различия между людьми в механических свойствах тканей — скажем, кровеносных сосудов — сильно различаются. Поэтому важно уметь делать материалы, соответствующие точно заданным свойствам, другими словами — воспроизводить свойства тканей пациента.
Материал импланта должен деформироваться так же, как и окружающая его живая ткань. Для примера возьмем имплантаты межпозвоночных дисков. Межпозвоночная грыжа — это заболевание межпозвоночного диска, который соединяет позвонки. сложно структурированного композитного материала из коллагена, который обеспечивает механику позвоночника. Если коллагеновый диск разорвался, вытекшая жидкость начинает оказывать давление на нерв, из-за чего уменьшается кровоток и нерв может отмереть. Это приводит к парализации ног, например, если речь идет о грыже поясничного отдела. В случае грыжи позвонков шейного отдела может наступить паралич рук, остановка сердца и дыхания. То есть в такой ситуации нужно в первую очередь спасти нерв. Но спасти таким образом, чтобы сохранилась физическая подвижность.
Раньше поврежденный диск удаляли и на его место вставляли полипропиленовый вкладыш вкладыш. Полипропилен — классический полимер, который применяется во многих областях медицины. Но по механическим свойствам он сильно отличается от коллагена, в первую очередь потому, что полипропилен тверже. После вставки полипропиленового вкладыша механические нагрузки переносятся на следующую пару позвонков, и через несколько лет развивается грыжа следующего диска.
«Мы начали эту работу в сотрудничестве с американскими химиками и полимерными физиками. Они профессионально занимаются симуляцией механических свойств полимеров, то есть рассчитывают процесс деформации полимерных материалов, имеющих сложную макромолекулярную структуру. Когда мы только начинали этим заниматься, все говорили, что невозможно воспроизвести механику живых тканей, потому что она не подчиняется тем же законам, которые управляют механикой обычных эластомеров», — вспоминает Дмитрий Иванов.
Эластомеры — это класс полимеров, сила сопротивления деформации у которых возрастает с увеличением деформации. Живые ткани так не умеют: кожа, например ведет себя совершенно по‑другому. Она очень мягкая в исходном недеформированном состоянии. Но при этом потребуется достаточно большое усилие, чтобы сделать ее, например, в два раза длинее. Механика биологических тканей объясняется присутствем в их основе волокон, состоящих из практически полностью вытянутых цепей. Когда вы начинаете деформировать живую ткань, эти волокна, изначально изотропно ориентированные в материале, ориентируются в направлении деформации, и вы практически сразу достигаете точки максимального растяжения. Дальше прилагаемая сила очень быстро возрастает с деформацией.
«Постепенно мы пришли к пониманию того, как отойти от этой парадигмы, согласно которой воспроизвести в синтетических полимерах механику биологических объектов невозможно. Вместе с химиками мы создали новый класс полимерных материалов, который полностью воспроизводит механику биологических тканей: кожи, легких, кровеносных сосудов. Это открывает совершенно новые перспективы в создании персонализированных имплантов, — полагает Дмитрий. — Ключевые параметры механики мы рассчитываем аналитически, на основе математических моделей материалов. В целом наша работа сводится к тому, что мы берем образец биологического материала, измеряем его механическую кривую и по ней сразу создаем новый материал, который точно ее воспроизводит».
Такой способ создания материалов стоит дорого, а полимеры, которые получаются на выходе, имеют узкую специализацию. Очевидно, что такие материалы будут доступны только для достаточно обеспеченных пациентов — по крайней мере в ближайшее время. Но за этим направлением будущее: медицина постепенно двигается в сторону персонализации и материалов, и методов. Когда-нибудь многие части организма, пострадавшую от болезни или травмы, можно будет заменить полимерами с аналогичными механическими свойствами.
