«Умные полимеры»: как заимствования у природы меняют медицину

Если говорить по-простому, полимер — это большая молекула, которая состоит из одинаковых маленьких, соединенных химическими связями. Конечно, это достаточно широкое понятие, под которое подпадают и автомобильная резина, и ткани наших органов.

Эксперименты, положившие начало химии полимеров, Герман Штаундингер проводил с натуральным каучуком Фото: © CC BY-SA 3.0 / Wikipedia

Долгое время химики сомневались в существовании полимеров, пока в 1922 году немецкий ученый Герман Штаундингер, будущий нобелевский лауреат, не доказал обратное. После его открытия такие вещества стали активно изучать, а потом и синтезировать искусственные. Пожалуй, самые известные — тефлон и нейлон. Именно они входят в состав чулок, антипригарных покрытий и даже парашютного шелка.

Современные технологии позволяют получать полимеры с удивительными свойствами и решать с их помощью невероятные задачи — от опреснения воды до адресной доставки лекарств. Но несмотря на свои несомненные достоинства, синтетические изделия пока не могут полностью заменить живые ткани, которые сочетают в себе удивительные и порой противоречивые свойства. Например, человеческая кожа мягкая, но при растяжении становится тверже и прочнее.

«Индивидуальные различия между людьми в механических свойствах тканей, скажем, кровеносных сосудов достаточно велики. Поэтому важно уметь делать материалы, соответствующие точно заданным характеристикам свойствам, другими словами — воспроизводить свойства тканей пациента», — говорит руководитель направления «Биоматериалы» Научного центра генетики и наук о жизни Университета «Сириус» Дмитрий Иванов. 

Научные исследования в этом направлении не прекращаются, и успехи есть. Благодаря им сегодня биополимеры применяются в регенеративной медицине (это ткани и органы), хирургии (импланты и протезы), офтальмологии (линзы и хрусталики), фармакологии (капсулы для доставки лекарств). Будущее за биомиметиками — искусственными наноматериалами, имитирующими свойства натуральных. При имплантации такие полимеры не вызывают отторжения.

Прицип биомиметиков

Биомиметические материалы воспроизводят структурные особенности природных тканей или объектов. Например, на поверхности листьев лотоса — водного многолетнего растения — есть микрорельеф, влияющий на краевой угол смачивания. За счет этого они приобретают супергидрофобность и легко отталкивают воду. Повторяя наноструктуру такого листа, можно разработать непромокаемые ткани или гидрофобное антивандальное покрытие для стен.

Создавая биомиметики, ученые вдохновляются примерами из живой природы. Это касается не только биомедицины. Так, компания Lufthansa трудится над специальным покрытием для фюзеляжа самолетов, в основе которого лежит материал, схожий по структуре с кожей акулы.

Особое строение акульей кожи снижает сопротивление при движении Фото: © aspas / Shutterstock / FOTODOM

В Университете «Сириус» тоже разрабатывают новые биополимеры, причем сразу по нескольким направлениям. Во-первых, там хотят создать материал, который будет реагировать на внешние условия — например, при нагревании переходить из твердого состояния в жидкое точно при температуре человеческого тела. Умные полимеры обладают способностью хорошо реагировать на относительно слабое внешнее воздействие. Они могут резко изменить форму или состояние при перемене температуры, влажности, кислотности, освещения. Эти материалы отвечают даже на незначительное внешнее возмущение. 

Во-вторых, исследователи работают над созданием биомиметических гелей — жидких полимеров для регенерации. Такие вещества хотят вводить в кровеносную систему, где они помогали бы восстанавливаться поврежденным сосудам, выступая в роли своеобразных заплаток.

Дмитрий Иванов Фото: Пресс-служба «Сириуса»

В-третьих, ученые изучают свойства чувствительных к давлению адгезивных материалов. В их разработке они намерены использовать алгоритмы ИИ, которые помогут ускорить процесс проектирования. Результаты предложенного подхода к оценке некоторых характеристик полимеров недавно были представлены в журнале Nature Materials. 

Один из авторов этого исследования — руководитель направления «Биоматериалы» Научного центра генетики и наук о жизни Университета «Сириус» Дмитрий Иванов.

«Мы нацелены на то, чтобы создать библиотеку новых полимерных молекул и систем, которые могут найти применение как биомиметики. В том числе как материал для имплантатов, гелей и биоадгезивов», — отмечает он.