Разработка биосовместимых материалов на основе химически модифицированной целлюлозы

Разработаны методы химической модификации нанокристаллической целлюлозы, на ее основе получены композитные материалы. Проведены комплексные исследования свойств материалов на основе химически модифицированной целлюлозы с использованием как экспериментальных методов исследования, так и методов компьютерного моделирования. Выполнен анализ актуальных литературных данных по темам проекта. В результате анализа литературы уточнена стратегия исследования. В результате атомистического компьютерного моделирования нанокомпозитов на основе биосовместимых биоразлагаемых полиэфиров олигогидроксибутиратами и олигомерами молочной кислоты, армированных нанокристаллами целлюлозы, показано, что при модификации поверхности целлюлозы цепями олигогидроксибутирата или олигомерами молочной кислоты привитые цепи разделяются на несколько популяций, с различной конформацией. Анализ структуры привитого слоя позволил сделать предположение о том, что пришивка цепей олигогидроксибутирата лучше защищает гидрофильную поверхность нанокристаллов целлюлозы от контакта с гидрофобной полимерной матрицей. Разработаны модели фосфолипидных мембран, согласованных с моделями, используемыми для моделирования кристаллической целлюлозы. На основе разработанной модели исследована структура мембраны, показано, что структурные свойства модельной мембраны находятся в количественном согласии как с экспериментальными данными, так и с результатами компьютерного моделирования других авторов. Проведенная валидация модели мембраны позволила осуществить атомистическое компьютерное моделирование систем «фосфолипидная мембрана - кристаллическая целлюлоза». В результате были получены фундаментальные данные о взаимодействиях кристаллов целлюлозы с клеточными мембранами и сформулированы возможные стратегии для улучшения свойств перевязочных материалов на основе целлюлозы. Проведено атомистическое моделирование фосфорилированной нанофибриллы целлюлозы, помещенной в раствор минеральных солей. Определены молекулярные механизмы минерализации фосфорилированной целлюлозы, и сформулированы рекомендации по синтезу композитных материалов на основе целлюлозы и фосфатов кальция. Выполнено атомистическое моделирование полиаспарагиновой кислоты в водном растворе хлорида кальция. Показано, что в результате взаимодействия с ионами изменяется конформация цепи - появляется практически не выраженная в воде конформация, отвечающая структуре левозакрученной альфа-спирали. Разработана крупнозернистая модель для моделирования биосовместимых нанокомпозитных материалов методом диссипативной динамики частиц. Численным методом самосогласованного поля Схойтенса - Флира проведено исследование разворачивания полимерной глобулы, образованной при коллапсе гребнеобразного полимера. Показано, что равновесное растяжение глобулы из гребнеобразных макромолекул аналогично растяжению линейной макромолекулы и происходит по механизму «всё или ничего». Разработан метод получения наночастиц целлюлозы, пригодных для дальнейшей поверхностной модификации. Данный метод позволяет получать наночастицы с длиной около 300 нм и толщиной 20 - 100 нм. Разработан метод введения полученных частиц в биоразлагаемые пленки на основе хитозана. Предварительные исследования механических свойств показали, что введение наночастиц целлюлозы, полученных по разработанному в ходе выполнения проекта методу, увеличивает прочность пленочных материалов. Синтезированы композитные материалы на основе сложных полиэфиров алифатических гидроксикислот, содержащих нанокристаллы целлюлозы и анионных пептидов. Исследованы структура, механические и термофизические свойства полученных материалов. Сделан вывод о том, что введение более 10% немодифицированных нанокристаллов целлюлозы в полимерные пленки является нецелесообразным вследствие значительного ухудшения механических свойств. Улучшить механические свойства материала вследствие более равномерного распределения НКЦ в матрице полимера можно, повысив совместимость данных материалов за счет модификации поверхности НКЦ олигомерами молочной кислоты и/или полипептидами. В рамках первого этапа работы была проведена модификация нанокристаллов целлюлозы олигомерами глутаминовой кислоты. Разработаны и апробированы методики модификации целлюлозы карбоцепными полимерами и электропроводящими полимерами. Из полученных наночастиц полипиррол-целлюлозы были сформированы пленочные электроды, исследование структуры которых методом растровой электронной микроскопии и малоуглового рентгеновского рассеяния показало формирование пористого электропроводяшего материала с фрактальной структурой поверхности наночастиц. Разработаны методики модификации целлюлозы графтсополимерами винилового ряда, и получены гликосиликоны - новый класс амфифильных полимеров.