46 Апрель 2021 The Chemical Journal ИССЛЕДОВАНИЯ Сотрудничество ученых Университета науки и технологии Китая и Университета Хоккайдо позволило получить новый материал с вдохновляющими перспективами П ОЛИАМФОЛИТ ы и самовосстанавливающийся ГЕЛ ь с оздание илиадреснойприближаетполиамфолитовперспективудоставкиклетоклекарств.
47The Chemical Journal Апрель 2021 ИССЛЕДОВАНИЯ Тао Линь Сунь окончил маги стратуру Университета науки и технологии Китая, затем в 2009 году получил доктор скую степень в японском Университете Хоккайдо. Целью науч ных изысканий были каучукоподобные мягкие материалы, описанные профес сором Университета Хоккайдо Цзянь Пинг Гонгом, ведущим специалистом в этойПодобласти.руководством профессора Гонга Сунь начал исследования самовосстав навливающихся гелей, проводя экспе рименты приблизительно с 15 различ ными мономерами — химическими соединениями, которые могут подвер гаться полимеризации. Год спустя усилия Суня привели к успеху: он разработал самовосстанав ливающийся гель, который был очень прочным, демонстрировал отличные механические свойства и выдерживал автономное сращивание и восстанов ление после повреждения — все свой ства, характерные для живых тканей. Когда полученный им гель разреза ют на две части, поверхности разреза можно соединить друг с другом, ими тируя заживление раны. Нарушенные ионные связи рядом с поверхностями образуются повторно по всей границе разреза, таким образом способствуя «заживлению». Анионы и катионы Ключ к гелю Суня — полиамфоли ты. Полиамфолиты — макромолеку лы, имеющие с своей структуре смесь анионов (отрицательно заряженных ионов) и катионов (положительно за ряженные ионов). Этот класс гелей можно получить путем сополимериза ции противоположно заряженных мо номеров, взятых в количествах, доста точных, чтобы сбалансировать заряды в высококонцентрированном растворе, так чтобы полимерные цепи запутыва лись и образовывали гель. «Это было потрясающе, — вспоми нал Сунь, отмечая, что большинство гидрогелей не имеет способностей к са мовосстановлению. — Когда я объявил о своем открытии на совещании, про фессор Гонг и другие профессора были невероятно взволнованы. Никто, вклю чая меня, не думал, что на основе поли амфолитов можно создать такой гель». Распределение заряда на полиам фолитных цепях — случайное, что приводит к образованию множествен ных ионных связей, как внутримолеку лярных, так и межмолекулярных. Силь ные ионные межмолекулярные связи, стабилизированные механическим пе реплетением цепей, выступают в роли постоянных узлов трехмерной сетча той структуры геля или, другими слова ми, образуют связь, которая соединяет один полимер с другим. Между тем, слабые ионные связи, как внутримолекулярные, так и межмо лекулярные, являются динамическими и обратимыми лабильными связями, необходимые для рассеивания энергии. Обратимые лабильные связи обес печивают в материале прочность, когда гель может самовосстанавливаться по сле значительной деформации благо даря разрыву и последующему повтор ному образованию множества слабых ионныхМистерсвязей.Сунь добавил, что чем выше доля более слабых связей в общем числе связей в материале, тем более выражен эффект самовосстановления, подтвер ждая то, что восстановление структуры геля происходит за счет многократного повторного формирования динамиче ских слабых связей. Между тем, сшивка или образование трехмерной сетчатой структуры за счет формирования силь ных ионных связей снижает эффектив ностьХотясамовосстановления.высокиетемпературы суще ственно ускоряют кинетику самовос становления, однако эффективность «исцеления» наиболее высока при ком натной температуре, но все же выше температуры размягчения. Жесткость структуры геля также влия ет на эффективность восстановления. Если гель жесткий, то поверхности обрезанных частей не смогут оказать ся в полном контакте. Но, с другой сто роны, мягкие гели образуют хороший контакт поверхностей, что улучшает эффективность самовосстановления. Повышение прочности Сунь сказал, что одним из приоритетов его работы является получение более прочного геля-полиамфолита. Татьяна левада, к.х.н. Гель, состоящий из полиионного комплекса, а не полиамфолита, также проявляет свойства самовосстановления. Пластину геля, окрашенную в красный и белый цве та, разрезали посередине, а затем отрезки просто приложили друг к другу (слева). с амовосстанавливающийся гель сохранил прочность на разрыв (справа). (л уо Ф. и др., Advanced Materials, 23 марта 2015 г.)
48 Апрель 2021 The Chemical Journal ИССЛЕДОВАНИЯ Это потенциально могло бы помочь бо лее широкому распространению био материалов в будущем. «Я сосредоточен на фундаментальных исследованиях, чтобы понять механиче ское поведение гидрогелей, — сообщил Сунь. — Я хочу распознать внутреннюю структуру, ответственную за высокую прочность геля. Если мы точно опреде лим этот механизм, мы сможем спроекти ровать более прочные гели для таких об ластей применения, как биоматериалы, а также промышленное использование, включая шины. Это моя первоочередная задача. Сложность заключается в том, что бы связать изменения внутренней струк туры с микроскопической деформацией. Если мы обнаружим эту связь, мы бу дем знать, как решать проблемы, связан ные с повышением прочности гидрогелей. Мы хотим построить математическую мо дель для описания этой связи». Долгосрочная цель Суня — создание сверхпрочных материалов, которые мо гут быть использованы для создания искусственных костей и зубов. Сунь убежден, что гидрогели — материал бу дущего. Чтобы заниматься гидрогеля ми для имплантологии, необходимы познания в химии, физике и биологии, добавляет Сунь. Применение Гели на основе полиамфолитов являют ся гидрофильными полимерными ма териалами и содержат большое количе ство воды в своем составе, в силу чего они, будучи биосовместимыми, пред ставляют огромный интерес для их при менения в медицине и фармацевтике. Основным препятствием для по всеместного распространения подоб ных гидрогелей была их сравнительно кривые cules,(межутковвпослеповторноре.приныйиновлениярастяжениипределформациинапряжения-дедемонстрируютпрочностиприпослевосстаструктурыгеля.сходныйивосстановленобразцыбылиизмереныкомнатнойтемператуотрезанныечастибылисоединенысразуразрезаи«заживления»водевтечениеразныхпровременипри25°сихсана.Б.идр.,Macromole23мая2016г.) рисунок 3. Предел прочности при растяжении после восстановления структуры геля. 0 0. 0.0.0.051150.225 05 10 15 20 25 30 35 Исходный образец 24 часа 15 часов 10 0.51.0часовчасчаса(МПа)растяженияУсилие Деформация (мм / мм) а) с етка полиамфолита со слабыми (постоянные узлы) и сильными (динамические, лабильные сшивки разрушаются под дей ствием растягивающих напряжений) ионными связями, играющими роль узлов пространственной сетчатой структуры геля. б) х имическая структура мономеров, используемых в данной работе. к атионные мономеры: MPTC ([3-(метакриламино)-пропил] триметиламмоний хлорид, DMAEA-Q (метил хлорид кватернизованный 2-(N,N-диметиламино)этилакрилат), анионные мономе ры: p-стиренсульфонат натрия (NaSS), 2-акриламидо-2-метилпропансульфоновая кислота (AMPS). рисунок 1. с хематическое изображение гидрогелей, полученных на основе полиамфолитов. слабые ионные связи, распадаясь при нагрузке и вновь формируясь, выступают в качестве динамических узлов полимерной сетки и обуславливают прочность геля и его способность к самовосстановлению. рисунок 2. Поведение самовосстанавливающегося геля на основе полиионного комплекса — не полиамфолита. Исходныйобразец Отрезанныйобразец Восстановленныйобразец КатионАнион Слабыесвязи Сильныесвязи Полимерныйтяж
университет хоккайдо. 49The Chemical Journal Апрель 2021 ИССЛЕДОВАНИЯ низкая прочность, однако в послед нее время эту проблему удалось решить во многих Исследователилабораториях.пошли дальше, создав не просто прочные гели, а самовосста навлявающиеся материалы, способные регенерировать первоначальную струк туру и характеристические свойства по сле механического разрушения с при менением внешних стимулов (нагрев, нагрузка, электрическое поле и др.) или просто прикладыванием деталей друг к другу после разрыва (автономно). Кроме того, большинство подобных гидрогелей обладает такими свойства ми, как высокая адгезия к биологиче ским тканям и металлам, возможность администрирования геля в виде инъек ций, проводимость ионов, а также вы сокая сорбирующая способность и низ каяМногиецитотоксичность.ученыесталкивались с про блемой сочетания всех этих свойств в одном материале, и возможность по лучения таких универсальных гид рогелей раскрывает перспективы их применения в качестве устройств контролируемой и адресной достав ки клеток или лекарств (инсулин при диабете, доксорубицин в онкологии и др.), датчиков движения и актуато ров, биоадгезивов, гибких электрон ных сенсоров, а также для создания искусственных биологических тканей, светоиндуцированных помп и пр. Способность к самовосстановлению значительно увеличивает срок службы, надежность и износостойкость изделий на основе полиамфолитных гидрогелей. Клеточная терапия становится все более востребована в эпоху персонали зированной медицины. Возможность создания клеточносовместимого геля для осуществления направленной до ставки клеточных культур делает такие материалы крайне востребованными. Существуют примеры использо вания гидрогелей в качестве адгези вов, чувствительных к давлению, а так же к другим стимулам, как, например, изменение рН или содержания глюко зы, изделия из которых можно повтор но перерабатывать и формовать. Ак тивно применяют полиамфолиты для производства эластичных, самовосста навливающихся, чувствительных к не скольким стимулам биомедицинских платформ для разработки адгезивов и клеев особого назначения с целью на несения на слизистые оболочки. Известны пленки на основе хитоза на, отличающиеся своей антибактери альной активностью, анестетическим и кровоостанавливающим действи ем, механически прочные и с высо ким содержанием активных веществ (лекарственные препараты, ионы сере бра или йода и др. при необходимости), чья сетчатая структура может быть лег ко модифицирована дополнительны ми сшивками. Такие пленки успешно применяют для ускорения заживления поврежденных тканей за счет повтор нойНашелэпителизации.применение инъекцион ный антибактериальный чувстви тельный к стимулам гидрогель для за живления диабетических кожных ран, основанный на полипептиде с контро лируемым высвобождением экзосом мезенхимальных стволовых клеток, по лученных из жировой ткани. Будучи похожими по свойствам на биологические ткани, имея сродство к ним и обладая способностью к регене рации, полиамфолитные проводящие гели хорошо подходят для производства устройств мониторинга здоровья, а так же оболочек (электронная кожа) для мягких беспроводных роботов. В дополнение к фармацевтическим и биомедицинским областям приме нения самовосстанавливающиеся гид рогели применяют также в качестве составляющих для электрических ба тарей, уловителей ионов тяжелых ме таллов, в области защиты окружающей среды и мониторинга свежести продук тов питания.
