Биоразлагаемые полимеры ― огромный шаг вперед для медицины

Полимеры ― это хорошо или плохо? Зачем нужны биоразлагаемые полимеры? Почему у нас в стране их не производят? Можно ли решить задачу переработки полимеров и как это сделать? Какие здесь существуют отечественные разработки и чем они уникальны? Об этом рассказывает профессор РАН Сергей Сергеевич Карлов, исполняющий обязанности декана химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

― Сергей Сергеевич, помимо руководства факультетом, вы еще заведуете лабораторией физической органической химии. Что это за лаборатория, чем там занимаются?

― Лаборатория физической органической химии ― одна из лабораторий кафедры органической химии, созданная достаточно давно, и основная ее задача на момент создания ― исследование механизмов органических реакций, отсюда и пришла часть названия, связанная с физической химией. Сейчас мы больше занимаемся исследованием не столько механизмов органических реакций, сколько металлоорганических соединений, в которых присутствует связь «металл — углерод». Если мы находим новые процессы, их механизмы тоже пытаемся изучать. Но в основном деятельность лаборатории сейчас направлена на синтез фосфорорганических соединений или синтез катализаторов для получения новых полимеров.

― Вы сказали, что иногда вам удается обнаружить новые реакции. О чем идет речь?

― «Новые реакции», наверное, звучит очень громко, но какие-то новые процессы, достаточно необычные, мы порой видим. Металлоорганическая химия вообще славится тем, что там часто происходят непредсказуемые процессы. Это связано с природой металла: по сути, для каждого типа металла мы можем обнаружить что-то новое.

― С чем же необычным вы сталкивались?

― Например, недавно мы получали производные такого металла, как галлий, ― достаточно важный металл, потому что, с одной стороны, он нетоксичен, с другой ― его свойства позволяют использовать его и в фармацевтике, и в других медицинских применениях. Памятуя о том, что он не очень токсичен, пытались достаточно успешно использовать его как катализатор синтеза полимеров для медицинских целей, и нам необходимо было создать структуру, в которой атом галлия связан с алкоксильной группой. Алкоксильная группа распадается, когда мы получали это соединение. Мы пытались разобраться, в чем проблема: либо это гидролиз, либо какие-то внутримолекулярные процессы, приводящие к распаду, не связанному с гидролизом. До конца пока так и не разобрались, но понимаем, что не гидролиз.

― А каким образом вы хотели применить его в медицинской промышленности?

― Я пришел на химфак в 1991 г. и очень хотел заниматься либо органикой, либо неорганикой ― и та, и другая науки меня привлекали. Потом я сообразил, что есть уникальная наука на стыке этих отраслей химии ― элементоорганическая химия. В 1996 г. я окончил химфак, а еще раньше, когда делал диплом, начал включаться в эту науку. Мы в основном занимались фундаментальными вещами: соединениями в неклассических степенях окисления, с неклассическими креационными числами для атомов металла, но в какой-то момент поняли, что крайне желательно сдвигаться в область прикладного применения.

Комплексы, которые мы получали, оказались (это было не наше открытие, но мы присоединились к этому исследованию) активными для синтеза биоразлагаемых полимеров. Это в большинстве своем полимеры циклических сложных эфиров, соответственно, комплексы металлов раскрывают эти циклы и происходит полимеризация. Биоразлагаемые полимеры имеют два явных применения. Первое ― экологическое, поскольку помогает решить огромную проблему утилизации полимерного мусора: большинство из этих полимеров достаточно быстро распадаются в окружающей среде.

Это очень важно, но критично важно второе ― использование биоразлагаемых полимеров для различных медицинских применений. Самый простой пример: человеку сделали операцию, ему внутри организма нужно что-то зашить. Раньше зашивали, потом через какое-то время разрезали и вытаскивали этот шовный материал. Если вы используете биоразлагаемый полимер, вы можете об этом забыть: через какое-то время этот шовный материал рассосется и не нужно делать повторную операцию.

― Но для этого необходимо, чтобы полимер не содержал никаких потенциально вредных компонентов...

― Да, это критический момент: для синтеза биоразлагаемых полимеров используются катализаторы, а точнее инициаторы, которые невозможно потом до конца изъять из полимера. Если инициатор токсичный, это попадет в организм. Поэтому одна из основных задач ― подобрать те инициаторы, которые, с одной стороны, эффективно работают, дают правильные полимеры (а там масса требований: например, эти полимеры должны обладать определенной молекулярной массой, распадаться с определенной скоростью, соответственно, мы должны уметь варьировать мономер для этого полимера), с другой стороны, должны быть нетоксичны. Мы пытаемся решить эту задачу.

― И галлий ― это тот самый нетоксичный инициатор?

 ― Мы считаем, что да. Хотя, конечно, токсичность зависит не только от атома металла, но и от органического окружения.

― Расскажите о результатах вашей работы.

― Я занимаюсь применением полимеров для их синтеза металлорганических производных, все-таки я химик-металлоорганик. У нас на факультете есть кафедра высокомолекулярных соединений, где занимаются химией, физикой полимеров на более продвинутом уровне. Я же занимаюсь синтезом новых комплексов, применимых для полимеризации. На самом деле сейчас технология получения биоразлагаемых полимеров ― так называемых гомополимеров, состоящих из одного мономера, ― уже разработана, и, откровенно говоря, там тяжело придумать новое, потому что есть достаточно эффективные инициаторы.

Но важно уметь регулировать скорость распада полимера, его стоимость, иногда необходимо синтезировать сополимеры, состоящие из нескольких мономеров. Здесь необходим синтез новых инициаторов, которые, по сути, подходят для синтеза конкретного сополимера. Дело в том, что иногда при попытке синтеза сополимеров происходят достаточно необычные вещи.

― Что вы имеете в виду?

― У нас было несколько публикаций по этому поводу, мы с другими коллегами это объяснили. Бывает так: у вас есть инициатор, эффективно инициирующий полимеризацию одного мономера, он так же эффективно инициирует полимеризацию второго мономера, но, когда вы это смешиваете, полимеризация не идет.

Для объяснения этого феномена мы применили квантово-химические расчеты. Выяснилось, что в ходе полимеризации возникают устойчивые интермедиаты, которые потом тяжело «раскачать», и они возникают именно в тот момент, когда начинает образовываться сополимер. Но мы пытаемся синтезировать такие инициаторы, эффективные для синтеза конкретных сополимеров.

В принципе, промышленная металлорганическая химия началась с синтеза классических полимеров, которые мы все хорошо знаем: например, полипропилен — с него, по сути, и началась промышленная металлорганическая химия. Одним из первых успешных инициаторов для синтеза полипропилена с правильными физико-химическими свойствами оказался катализатор Циглера — Натт, смесь триэтилалюминия и трихлорида титана, где возникают связи «титан — углерод».

― У вас на химфаке тоже занимаются исследованиями в этом направлении?

― Сейчас есть огромное количество исследований, в том числе в нашей стране, и на химическом факультете тоже. У нас существуют как минимум три группы, использующие металлорганические инициаторы для синтеза как раз таких классических полимеров на основе полиолефинов. Коллеги умеют варьировать молекулярную массу, синтезировать сополимеры. Это очень обширная область науки ― я ей не занимаюсь, но хорошо про нее знаю.

― Удалось ли что-то из ваших разработок где-то внедрить и использовать?

― К сожалению, пока нет, хотя у нас есть хорошие результаты, но здесь все упирается в экономику и финансы. К сожалению, в России нет своего производства биоразлагаемых полимеров, мы не производим их в промышленных масштабах. Самый распространенный и самый дешевый биоразлагаемый полимер ― полилактид. У нас нет его производства. Он хорош всем, кроме цены, поскольку, что бы ни происходило в мировой экономике, он всегда оказывается как минимум в полтора-два раза дороже, чем полипропилен, на который он, в общем, похож. Это приемлемый полимер с точки зрения биоразлагаемости, хотя для его разложения тоже нужны специальные методы: лучше его разлагать в компостных ямах, но самое главное ― он полностью производится из возобновляемого сырья, потому что мономер лактид ― это циклический эфир молочной кислоты. Его легко получить из растительного сырья ― кукурузы, картофеля.

― Почему у нас нет производства своих биоразлагаемых полимеров?

― У меня нет ответа на этот вопрос. Неоднократно собирались комиссии, которые говорили, что это направление надо развивать. Последняя попытка наладить производство полилактида была предпринята, по-моему, в 2019 г., но все равно его собирались производить из привозного сырья. Никто не был готов реализовывать полный цикл начиная со сбора урожая. Планировался завоз лактида, дальше ― полимеризация. Насколько мне известно, сейчас несколько компаний начинают производить другие биоразлагаемые полимеры, но пока производство не очень широко развито и они другого типа ― на основе янтарной кислоты.

― Много ли мы теряем без биоразлагаемых полимеров?

― Скажем так: без них можно жить, мы же жили. С другой стороны, биоразлагаемый полимер ― целлюлоза, все ее производные. У нее есть свои недостатки и достоинства. С ней связаны другие проблемы. Мы все сейчас думаем об экологии, и хорошо известно: если мы будем сравнивать, например, пластиковый пакет из полипропилена и бумажный пакет, то, казалось бы, бумажный экологичнее. Однако при его производстве практически в два раза больше выброса CO₂ в атмосферу, чем при производстве пластикового. Бумажный пакет, что очевидно, одноразовый. Пластиковый пакет можно использовать многократно, и если правильно потом утилизировать, то вред будет минимален.

Конечно, мы можем жить без биоразлагаемых полимеров, это не настолько критично, но при этом, я считаю, качество и уровень жизни с ними улучшаются. А вот что касается медицины ― это критически важно. Я сказал только о шовном материале, но есть масса других медицинских применений, например лекарство пролонгированного действия. Представьте, что у человека имеется заболевание, когда ему надо регулярно делать уколы. А тут можно сделать вмешательство, например, один раз в месяц: ввести таким образом имплант, который будет разлагаться с нужной скоростью.

Понятно, что возникает масса проблем, каждый человек индивидуален и скорость разложения будет разной, но в принципе будущее за этим: будут созданы импланты, разлагающиеся с определенной скоростью. Ведь человек может просто забыть сделать укол, мы все иногда забываем и таблетки выпить. Здесь проблема решается сама.

Дальше ― тканевая инженерия. Вы начинаете выращивать новую ткань, никак не связанную с полимером, но она растет на матах, структурах из биоразлагаемых полимеров. В ходе роста биоразлагаемый полимер заменяется этой тканью. Огромное применение для медицины. Думаю, если сейчас биоразлагаемые полимеры убрать из нашей жизни, медицина сделает шаг назад.

― Значит, все эти вещи, включая биоразлагаемые шовные материалы, ― импортные, у нас своих нет? Получается, ваши разработки в данный момент внедрить невозможно?

― Да. Единственное, на что обращу внимание: у нас есть компании, которые из импортного полимерного сырья производят шовный материал. Это достаточно большая доля технологических разработок, потому что это не так просто. Это не значит, что мы научились синтезировать полимер ― и все проблемы решены. Есть масса механических, физических проблем, это большая наука, и она в стране есть. Но вот производства собственно полимера нет.

― Недавно я брала интервью у одного томского профессора, который тоже занимается полимерами, и он рассказывал, что внедрять пока не получается. И я его спросила, не обидно ли тратить годы жизни на разработки, если нет возможности их внедрить? Он сказал, что это не главное для ученого, а главное ― обогащать человечество новыми знаниями. Вы согласны с этим?

― Думаю, он немного лукавил. Мне кажется, подавляющее большинство ученых нацелены на положительный результат. Понятно, что очень интересно исследовать, и мне кажется, что когда молодые люди идут в науку, они прежде всего испытывают интерес, и это основной их двигатель. К сожалению, в нашей стране заработать наукой много денег не получается, точнее, у кого-то получается, но таких людей немного.

Но когда ты начинаешь работать, ты все равно настроен на результат. Финансирование науки у нас происходит как из госбюджета, так и из грантовых фондов, и никто никакой вид финансирования не будет давать под плохие результаты. Все равно весь рост ученого, его воспитание направлены на то, чтобы добиваться результатов. Для человека, занимающегося прикладным исследованием, результатом служит внедрение в промышленность, в реальные вещи. Мы очень многое умеем делать ― я сейчас не о полимерах, а в принципе о «химии в пробирке». И очень тяжело преодолеть этот путь от пробирки к технологии.

― Разве институты не должны помогать ученому преодолеть этот путь?

― Да, раньше отраслевые институты финансировались для того, чтобы достаточно эффективно помочь ученому. Я классический фундаментальный ученый. Я очень многого не знаю о промышленном производстве. Например, я всегда считал, что чем ниже температура, тем проще в промышленности: я экономлю средства на нагрев. Пока люди, занимающиеся технологией, не объяснили: это не всегда так, ты можешь сэкономить на энергии, но потратишь огромные деньги на другие процессы из-за понижения температуры. Поэтому важно понимать, какие конкретно моменты для какой технологии важны.

Этот переход от пробирки к чему-то крупному ― проблема. Но если человек занимается прикладной наукой, ему совершенно необходимо уметь это делать, нужно уметь достигать результатов. Мне кажется, хороший ученый не получит полного удовлетворения от того, что он просто что-то открыл. Другое дело, что экономика во главе всего и человек может открыть интересный процесс, а коллеги-экономисты посчитают и скажут, что это нерентабельно.

― Как же быть с вашими разработками, как их внедрить?

― Здесь важна политическая воля, и я надеюсь, что цивилизация будет двигаться в нужную сторону. Сейчас идет какой-то накат на полимеры в плохом смысле: мы слышим, что полимеры ― самый главный вред современной цивилизации. Нам показывают огромные мусорные пятна в Тихом океане, мертвую рыбу…

Но без полимеров, даже без неразлагаемых, мы жить не сможем. Когда я рассказываю студентам о биоразлагаемых полимерах, начинаю с того, что пытаться заменить все на биоразлагаемые полимеры абсолютно бессмысленно. И задаю вопрос: вы готовы полететь на самолете, который сделан из биоразлагаемого полимера? Ни один пока не сказал, что он готов, даже люди, которые очень озадачены экологической повесткой. Понятно, что классические полимеры заменить нельзя, это и не нужно.

― Отказаться от них уже нельзя, потому что они составляют суть нашей жизни?

― Безусловно. ХХ в. можно по-разному оценивать с точки зрения технологий: это век, когда мы вышли в космос, когда мы приручили атомную энергию, когда в нашу повседневную жизнь примерно в середине 1950-х гг. вошли полимеры. Мы без них не сможем жить. Просто представьте мир вокруг себя, даже в своей квартире, обведите глазами — и увидите, что там огромное количество полимеров.

― А вот у вас в кабинете их немного. Сплошные дерево, камень, кожа.

― Это кабинет декана химфака, и мои предшественники, наверное, четко понимали, что образование сильно традициями. Этот кабинет выглядит ровно так же, как выглядел в 1955 г. Понятно, что мебель реставрирована, но в целом он подчеркивает приверженность традициям. При этом все шариковые ручки у меня сделаны из полимеров, не говоря уж о компьютерной технике, гаджетов, без которых наша жизнь сегодня немыслима.

Просто нужно разумно относиться к полимерной цивилизации, которая существует: безусловно, нужны раздельный сбор мусора, сортировка полимеров. На самом деле ситуация в принципе трагичная. Знаете, сколько в мире производят полимеров? Около 400 млн т в год.

Когда я готовил студентам лекции, долго пытался подобрать эквивалент: во всем мире в год производится примерно 700 млн т пшеницы, это сравнимые цифры. Одна из основных проблем в том, что из этих примерно 400 млн т меньше 20% мы используем для вторичного производства. Получается, что 80% остается на свалках, неправильно хранится. С этим нужно бороться, а с синтезом полимеров бороться бессмысленно.

― Как с этим можно бороться?

― Внедрять в сознание человека необходимость раздельного сбора мусора. Это очень много даст. При этом должны быть созданы соответствующие мощности для переработки: разные полимеры по-разному вторично перерабатываются. Иногда можно осуществить некую механическую переработку ― нагреть, переплавить, не разрушая полимер. Иногда необходимо разрушение полимера до мономера и синтез из него нового полимера. Это разные вещи, но если будут созданы такие мощности, то проблема в большой части решится.

Второе направление, которое мне ближе всего, ― это создание биоразлагаемых полимеров, которые могут частично решить проблему загрязнения. И в медицине без них уже никуда ― это ее нынешний день, это будет не когда-то завтра. Просто люди, которых уже лечат при помощи полимеров, не отдают себе отчет, что это уже есть. И это обязательно будет развиваться.