Ученые с помощью компьютерного моделирования описали механические свойства и структуру клейких полимерных смесей, которые можно использовать в медицине для соединения поврежденных тканей и создания раневых покрытий. Оказалось, что «клейкость» и прочность комплекса можно настраивать, меняя длину полимеров, свойства растворителя и сродство между полимерами и склеиваемой поверхностью. Полученные результаты помогут разрабатывать составы подобных смесей с требуемыми характеристиками для каждой конкретной задачи без необходимости синтеза большого количества тестовых образцов. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Polymer.
При травмах и после операций врачи накладывают пациентам швы или скрепляют поврежденные ткани хирургическим клеем. Однако в процессе заживления могут возникать воспаления, а после образуются рубцы. Это зачастую происходит из-за того, что используемый клей не позволяет адаптировать свою форму под рост тканей и, по сути, ведет себя как шовный материал. Кроме того, швы и существующие клеи недостаточно эластичны, чтоб обеспечить человеку комфорт и свободу движений. Поэтому в медицине востребованы новые биоадгезивные материалы — совместимые с организмом составы, способные с одной стороны прочно и эластично склеивать живые ткани, а с другой — изменять свою форму и адаптироваться под рост тканей при заживлении.
Существуют природные клеящие составы — они есть, например, в слизи улитки. Такие «клеи» состоят из капель богатой полимерами жидкости — коацерватов. На их основе ученые разрабатывают улучшенные адгезивы — более прочные и эластичные, чем природные, но для этого приходится экспериментально подбирать состав и соотношение компонентов таких смесей, что очень долго и трудоемко.
Ученые из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва) с помощью компьютерного моделирования определили, как меняются свойства клейких полимерных смесей в зависимости от их состава.
Авторы создали модели полимеров в виде цепочек из «бусин» — маленьких блоков (мономеров). Такой подход позволил одновременно наблюдать за поведением отдельных фрагментов молекулы и всего полимера. При этом исследователи рассматривали цепочки разной длины и с разным количеством групп, несущих отрицательный или положительный заряд, а также меняли состав растворителя.
Известно, что при добавлении в жидкость (воду) большого числа отрицательно и положительно заряженных полимерных молекул они могут объединиться в единый комплекс из-за электростатического притяжения. Эти комплексы представляют собой концентрированные капли, насыщенные молекулами заряженных полимеров, и проявляют двойственность в механических свойствах: они могут обладать упругостью полимерных сеток, а также текучестью вязких жидкостей за счет взаимодействий между полимерами.
Авторы работы показали, что, если полимеры содержат плохорастворимые в воде группы, то капли становятся более плотными. Более того, такие капли обладают высоким сродством к различным поверхностям, при этом капли с короткими полимерами лучше прилипают, а с длинными — более устойчивы к механическим повреждениям и разрывам. Выявленные особенности облегчат разработку и производство биоклеев с нужными прочностными и адгезионными (клеящими) характеристиками.
Моделирование также показало, что можно уменьшить число заряженных групп в полимере настолько, чтобы внутри материала самопроизвольно сформировались области, богатые водой, и весь комплекс превратился в губку. Такая пористая структура может быть полезна при создании клеевых составов, способных доставлять лекарства в поврежденные ткани. Подобные клеи смогут не только соединять ткани, но и постепенно высвобождать «загруженный» в их поры антибиотик или обезболивающее, ускоряя заживление.
«Наше исследование поможет специалистам оптимизировать состав адгезивных смесей и выбрать наиболее подходящий для поставленной задачи. Это ускорит их внедрение в медицинскую практику, где подобные материалы очень востребованы. В дальнейшем мы планируем проверить найденные в компьютерном эксперименте закономерности на полимерных системах в лабораторных условиях. Мы уже синтезировали ряд полиэлектролитов с настраиваемой архитектурой полимерных цепей и анализируем их способность к сцеплению с различными поверхностями», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Елена Кожунова, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
