Уральские ученые создают материалы с памятью формы

10:40, 26 июля 2022

Такие полимеры востребованы в хирургии, клеточной инженерии и регенеративной медицине

Илья Стародумов в составе международного коллектива разрабатывает технологию создания «умных» полимеров. Фото: Илья Сафаров.

В России могут появиться биосовместимые полимеры на основе «умного» материала (полиэпсилонкапролактона), который запоминает форму. Над технологией его создания работает международный коллектив ученых из России, Израиля и Японии, в состав которого входят физики Уральского федерального университета. Исследование выполняется при поддержке РФФИ (проект 20-58-50004).

Полимерные материалы на основе полиэпсилонкапролактона подходят для биомедицинских целей: для хирургии, клеточной инженерии, регенеративной медицины. Из такого материала можно изготавливать устройства для малоинвазивных хирургических операций (с минимальными разрезами), самозатягивающиеся хирургические нити и др. Описание этого 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, как правило, выстраивается инженерно-химическая промышленность по производству изделий из данного сырья. В России производство полиэпсилонкапролактона неразвито, и ученые отмечают, что исследования могут повысить интерес к разработке таких полимеров в целом и конкретных изделий из них в частности.

Вклад уральских ученых в разработку заключается в моделировании. Физики создали компьютерную модель молекулярной структуры полимера, которая улучшила характеристики материала и технологию его изготовления на молекулярном уровне.

«Наша часть работы состоит 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 Стародумов.

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, добавляет физик. Если представить, что атомы в молекуле соединены пружинками, то силовые поля — это характеристики этих пружинок. Задача ученых — 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, — добавляет Илья Стародумов. — 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, мы смогли подтвердить гипотезу».

В итоге модель уральских физиков позволяет как объяснять характеристики полимеров в разных условиях, так и предсказывать свойства материала при изменении технологии синтеза или во взаимодействии с биологическими средами.

Уральские ученые продолжат работу по развитию молекулярных моделей. Следующим этапом исследований станет моделирование характеристик уже «сшитой» полимерной сети.