Российские ученые выяснили, что, изменяя температуру и кислотность среды, можно управлять механическими свойствами синтетических материалов на основе микрогелей. Это позволит создавать системы с заданными свойствами, которые могут быть эффективны как в качестве антибактериальных покрытий, так и в качестве поверхностей для регенерации тканей. Результаты исследования опубликованы в журнале Polymers. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ).
Схема синтеза полимерного материала на основе микрогеля. Источник: Nasimova I. et al. / Polymers, 2021
Полимерные «умные» гели обладают высокой чувствительностью и могут менять объем и плотность в ответ на изменение условий окружающей среды, что делает их крайне перспективными для медицины. Например, их можно использовать в адресной доставке лекарств и создании матриксов для выращивания искусственных тканей. При этом наиболее быстро реагируют на внешние воздействия частицы гелей микронного размера (равного величине бактерий, а в некоторых случаях даже вирусов) — так называемые микрогели. И если на их основе создать каркас для материала, то он, по всей видимости, также сможет быстро изменять свои свойства.
Структура и физические характеристики микрогелей во многом зависят от того, из какого полимера они состоят. Используя для синтеза микрочастиц N-изопропилакриламид и полиакриловую кислоту, можно получить микрогели, чувствительные к температуре и уровню кислотности среды (рН).
Исследователи из Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова (Москва) решили изучить, как влияют условия, в которых создаются микрогели, на строение и способность к набуханию материалов, получаемых на их основе. Ученые изменяли температуру и кислотность среды концентрированных растворов микрогелей, сушили их и подвергали отжигу при высокой температуре. В результате удалось получить материалы, отличающиеся между собой по физическим свойствам. Чтобы сравнить их, физики проанализировали способность образцов к набуханию. Оказалось, что пленки чувствительны и к температуре, и к кислотности среды. При этом изопропилакриламид обеспечивает восприимчивость к температуре, а полиакриловая кислота — к изменению уровня рН.
Структура микрогелей, синтезированных при разной кислотности среды: рН = 7 (а, b) и рН = 3 (c, d). Источник: Nasimova I. et al. / Polymers, 2021
Эксперименты показали, что при всех комбинациях температур и кислотности образуются стабильные пленки, но их внешний вид, способность к набуханию и микроструктура различаются. При высокой температуре и рН формирующиеся материалы непрозрачные и более жесткие, также они на порядок хуже набухают в жидкости. Предложенная комбинация параметров позволяет получать образцы с более высокой прочностью, что подойдет для антибактериальных покрытий, препятствующих прохождению патогенов и агрессивных химических веществ. Если синтезировать микрогели при комнатной или повышенной температуре, но с нейтральным рН, они имеют губчатое строение и хорошо впитывают воду. Такая форма наиболее удобна для выращивания и регенерации тканей, поскольку обеспечивает хорошее распределение жидкости и питательных веществ в культурах клеток, которые активно проникают в толщу материла.
Причиной существенных различий физических свойств пленок из микрогелей оказалось то, что в разных условиях синтеза образуется разное количество межмолекулярных сшивок. Так, в гелях, синтезированных при высокой кислотности и температуре, звенья, по которым осуществляется сшивание, образуют большее количество связей, что обеспечивает более плотную и прочную структуру.
«Это в перспективе дает нам возможность получать полимерные материалы с контролируемой плотностью, внутренней структурой и реакцией на внешние условия окружающей среды, что открывает новые горизонты для широкого применения в медицине, микробиологии и цитологии», — рассказывает Ирина Насимова, автор статьи, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, руководитель проекта по гранту РНФ.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
