Термо- и pH-чувствительные микрогели на основе взаимопроникающих сеток для создания покрытий и мембран для биомедицинских приложений

Полимерные гели и микрогели, чувствительные к изменениям внешней среды, зарекомендовали себя как подходящие объекты для создания современных материалов. Микрогели отличаются тем, что такие частицы субмикронного размера имеют узкое распределение по размерам и стабильны в растворах вплоть до очень высоких концентраций, а также могут быть функционализированы введением различных реакционных групп. Кроме того, в силу своих малых размеров микрогели имеют короткие времена отклика на внешние воздействия, что несвойственно стандартным макрогелям. Это открывает широкие перспективы по использованию таких полимерных частиц в качестве суперабсорбентов, стабилизирующих поверхностно-активных добавок, носителей лекарственных препаратов, фотонных кристаллов. Помимо химической природы мономерных звеньев, свойства микрогелей зависят и от пространственной архитектуры каждой из частиц. К примеру, использование частиц со структурой «ядро-оболочка» или взаимопроникающих сеток (ВПС) позволяет существенно расширить вариабельность характеристик получаемых объектов. В случае ВПС-микрогелей влияние структуры проявляется следующим образом. Такие микрогели состоят из двух полимерных сеток, звенья которых не образуют между собой ковалентных сшивок, но формируют единый объект благодаря топологическим зацеплениям. В том случае, когда обе подсетки обладают чувствительностью к изменениям условий внешней среды и имеют отклик на различающиеся внешние факторы, становится возможным отдельно изменять конформацию каждой из подсеток. Это свойство ВПС-микрогелей может быть использовано для получения микроструктурирования на масштабе одной частицы. Несмотря на то, что в последние годы число работ по синтезу и изучению свойств микрогелей постоянно увеличивается, очень мало исследований посвящено созданию макроматериалов, состоящих из соединенных между собой частиц микрогелей. Однако подобные структурированные на микроуровне материалы представляются весьма перспективными, так как могут наследовать полезные характеристики микрообъектов и благодаря этому превосходить стандартные макрогели (в частности, в скорости реакции на изменение условий внешней среды и по механическим свойствам за счет более пространственно однородной структуры сетки). Следует отметить, что методы компьютерного моделирования многокомпонентных полимерных систем становятся все более востребованными с ростом вычислительных мощностей, так как увеличение производительности компьютеров позволяет вести расчеты сложных полимеризационных процессов и исследовать поведение систем, состоящих из многих компонентов. Современное состояние развития данной области делает возможным моделирование полимерных материалов с учетом влияния вклада отдельных полимерных субцепей, поэтому разработка соответствующей методологии является актуальной задачей. Данная заявка (Проект 2020) является продолжением проекта «Термо- и pH-чувствительные микрогели на основе взаимопроникающих сеток для создания покрытий и мембран для биомедицинских приложений» (Проект 2017). В Проекте 2017 нами были проведены работы по созданию новых подходов к синтезу и изучению свойств водорастворимых микрогелей, в особенности ВПС-микрогелей. Отдельное внимание было уделено проблеме компьютерного моделирования процесса осадительной полимеризации частиц микрогеля – такой задачи ранее решено не было. Впервые были разработаны методики получения термо- и pH-чувствительных макроматериалов на основе ВПС-микрогелей. Во время анализа полученных при выполнении Проекта 2017 данных и сопоставления результатов эксперимента и компьютерного моделирования возникли предложения о дальнейшем развитии и расширении текущей тематики исследований, о постановке возможных новых задач, что и планируется воплотить во время выполнения нового проекта в случае его поддержки на конкурсе. Итак, в рамках Проекта 2020 предлагается доработать методику синтеза и детально изучить свойства макроматериалов на основе ВПС-микрогелей: при помощи реологических методов оценить механические свойства образцов, определить время их реагирования на изменения внешних условий, провести исследования оптических свойств (можно ожидать, что при определенных условиях макроматериалы из сшитых ВПС-микрогелей будут проявлять свойства фотонных кристаллов). Полезным представляется сравнение характеристик получаемых материалов со стандартными макрогелями сходного состава, причем не только экспериментальными методами, но и в среде компьютерного моделирования. Будет продолжено изучение абсорбционных свойств макроматериалов и проведены исследования по подбору компонентов, полезных для дальнейшего применения, в частности, рассмотрена возможность создания дезинфицирующих повязок и покрытий. Кроме работ, направленных на более подробное изучение получаемых макроматериалов, планируется провести работы по получению и изучению свойств микрогелей и ВПС-микрогелей, несущих ионогенные группы (полиэлектролитных микрогелей), в том числе – по разработке методики получения структуры ВПС с использованием электростатических взаимодействий для концентрирования мономерных звеньев второй подсетки в частицах-матрицах. Отдельное внимание будет уделено моделированию синтеза микрогелей с явным учетом зарядов на инициаторах и/или сомономерах. Известно, что введение заряженных составляющих в микрогели позволяет изменять морфологию отдельных частиц и добавляет дополнительные возможности по взаимодействию с различными химическими реагентами, поэтому такие исследования существенно расширят область возможных применений материалов. И, наконец, впервые будет исследовано поведение ВПС-микрогелей на границе двух несмешивающихся жидкостей и определены их поверхностно-активные характеристики. Известно, что микрогели имеют тенденцию концентрироваться преимущественно на межфазной границе двух жидкостей, в особенности микрогели на основе сополимеров, где один из сомономеров имеет сродство только к одной из компонент сорастворителя. Можно предположить, что ВПС-мирогели смогут значительно более эффективно разделяться в пространстве вследствие особенностей топологии, и, соответственно, могут быть полезны для применения в таких системах. Исследования по данному вопросу будут вестись в основном методами компьютерного моделирования, однако при обнаружении интересных эффектов и после формулирования более конкретных рекомендаций планируется начать экспериментальные работы. Таким образом, Проект 2020 будет посвящен изучению восприимчивых полимерных микрогелей со сложной архитектурой и микроструктурированных материалов на их основе. Многие из запланированных исследований будут проводиться впервые в мировой практике (изучение свойств макроматериалов из ВПС-микрогелей, синтез таких структур с использованием электростатических взаимодействий, моделирование процесса осадительной полимеризации с учетом зарядов компонентов и изучение ВПС-микрогелей на границе раздела двух фаз). Ожидаемые результаты можно использовать для разработки функциональных материалов для практических приложений в различных высокотехнологичных областях, в том числе – в биомедицинских целях.