13 октября 2023
Полимерная революция: как новые материалы меняют современный мир
За что в будущем можно получить Нобелевскую премию? Например, за создание органов из полимеров. В интервью «Газете.Ru» руководитель направления «Биоматериалы» научного центра генетики и наук о жизни Университета «Сириус» Дмитрий Иванов рассказал о возможностях использования полимеров в создании живых органов и тканей.
— С какого момента начался «век полимеров»?
— Он начался с 1920-х годов. В 2020-м мы уже праздновали столетие полимерной науки. Весь мир отмечал! На самом деле это очень важная веха, потому что стало возможным «рождение» материалов, которые нас окружают сегодня. Без полимеров мы не можем представить себе ни полет в космос, ни атомную бомбу, ни военное обмундирование (пуленепробиваемые жилеты, каски), колеса для автомобилей, парашютный шелк, нейлон для чулок, композитные крылья для самолетов, канаты, тросы, сумки в супермаркете и многое другое.
— Какие этапы были в полимерной науке за эти 100 лет?
— Эти этапы можно обозначить так: создание полимерных материалов широкого потребления (полиэтилен, полистирол и пр.) и полимеров для специализированных применений, самые известные примеры которых включают нейлон и тефлон. Если представить себе пирамиду, в которой каждый полимер занимает часть объема, пропорциональную объему его производства, то в основе пирамиды находится ширпотреб: материал ковров, одежды, упаковка и т.д. На вершине этой пирамиды — специализированные полимеры для высокотехнологических применений, включающие помимо перечисленных выше материалы для органической фотовольтаики (изучает процесс возникновения электрического тока в материалах под действием света. — «Газета.Ru»), водородной энергетики, медицины. Естественно, объем их производства несопоставимо мал по сравнению с полимерами для ширпотреба.
— А какой природный полимер больше всего представлен на Земле?
— Целлюлоза — она содержится в деревьях, растениях. А второй — хитин, это рачки, креветки, насекомые.
— Известно, что полимеры состоят из длинных молекул. Они отличаются только по длине?
— Изначально считали, что да. Немецкий химик Герман Штаудингер, отец этой науки, пытался доказать научному сообществу, что можно создать действительно длинные молекулы. Очень длинные, иногда бесконечные.
— Бесконечные? Такое может быть?
— Может. Все ваше изделие на самом деле может быть одной молекулой. Допустим, это эпоксидная смола. Вы решили сделать из нее красивую брошку. Сделали заливку, она застывает. Что значит застывает? Идет полимеризация, сшивание. То есть у вас образуются не только линейные цепочки, но и химические перешивки. Возникает трехмерная молекулярная сетка, которая может быть одной молекулой. Поэтому эпоксидку сложно растворить. Но бывают и длинные линейные полимеры огромных весов, такие как ДНК. Когда вы выделяете ДНК, можно намотать ее на стеклянную палочку, и ее будет видно глазом. Эта молекула исключительно длинная.
— Можно ли сказать, что человек состоит из полимеров?
— Не весь, но я думаю, что половина нашей массы — это полимеры.
— Чем еще полимеры, кроме длины молекулы, отличаются от других веществ?
— У полимеров есть «волшебные» свойства, которые не встречаются в мире низкомолекулярных соединений. Во-первых, им свойственна сложная «внутренняя жизнь» — термодинамика. Классическая термодинамика всегда говорила о макроскопических фазах, которые можно отделить физически. Допустим, у вас произошло разделение воды и масла. Вы можете масло аккуратно слить, и останется вода. А вот в полимере отделить одну фазу от другой очень часто вообще невозможно, потому что часто это одна и та же молекула, которая участвует и в одной фазе, и в другой. Это уникальное и важное свойство длинноцепочечных молекул. Другое свойство — странная вязкость.
— В чем ее странность?
— Если маленькие молекулы (неполимеры) разбавить и измерять вязкость в зависимости от концентрации раствора, — там одна закономерность. Допустим, чем больше вы насыпали одного вещества в другое, тем больше вязкость.
А вот у полимеров закономерность сложнее. Там, начиная с какой-то массы, полностью меняется реологическое поведение (поведение в отношении деформации и течения. — «Газета.Ru»). Почему? Потому что цепочки начинают перекрываться в растворе. Это называется сетка зацеплений, или физические узлы. Они перепутываются, как нитки в клубке. И уже одна цепочка тянет за собой другие. Вязкость меняется совсем по другому закону, в зависимости от концентрации.
— Получается, что предсказать поведение полимеров в разных условиях практически невозможно?
— Сейчас этим занимаются многие группы ученых: пытаются создать модели, по которым можно предсказывать их свойства. Но до сих пор эксперимент остается самым надежным способом.
— Недавно на форуме в Орле «Наука будущего, наука молодых» вы рассказывали про две ваши российские лаборатории. Чем они занимаются в Сочи и Москве?
— Мы работаем по трем направлениям. Одно связано с функциональными полимерами, это органическая фотовольтаика. Мы работаем над веществами, которые смогут заменить наши кремниевые солнечные панели. Хотим, например, сделать полимер, который можно было бы наносить на крышу. Есть у нас круг задач, связанных с разработкой мембран для водородной энергетики. Продолжаем направление развития топливных элементов, которые были впервые применены в «Аполлоне» на Луне. В 1969 году американцы развернули первый топливный элемент на ракете «Аполлон», который вырабатывал электричество. Там впервые была испробована такая система с каталитическим горением водорода. Ключевым ее элементом является протонообменная мембрана. Мы хотим создать российский продукт, наши протонообменные мембраны, которые заменят классический материал, производимый за рубежом. Третье направление — биомедицина. Мы пытаемся создать новые материалы для биомедицинских применений.
— Вы имеете в виду импланты?
— Не только импланты. Это и такие матриксы (материал между клетками. — «Газета.Ru») для заживления ран, ожогов, заполнения внутренних полостей.
— Что именно вы хотите заменять?
— Наши мягкие ткани.
— До сих пор речь шла только о жестких имплантах — замене костей, частей черепа…
— А мы решили обратиться к тому, что между костями есть. Это иногда совсем мягкая ткань. Она по жесткости уступает костям во многие тысячи раз. Кожа, соединительная ткань, материал сосудов, сердца, легких, печени — это очень мягкий материал. Если когда-нибудь готовили печенку, вы это знаете.
— И что, есть полимеры, которые подойдут для этого?
— Таких мягких полимеров в природе нет. Но их можно сделать. Пока думаем о том, что может представлять собой замена этим тканям на основе синтетических полимеров. Но это вопрос не праздный, потому что модуль упругости, который связан с запутыванием цепочек полимера, делает невозможным создание ни одного прообраза мягкой ткани.
— Но ведь силиконовые грудные имплантаты существуют?
— Да. Но, к сожалению, они часто протекают, так как содержат жидкость. В целом до сих пор для создания мягких тканей чаще всего использовали гели, набухшие в воде. Мы решили отказаться от жидкости. Она может протечь, высохнуть, еще дополнительно набухнуть. И это все решительно изменит. Нужен мягкий материал, который был бы цельным. Поэтому мы должны придумать полимерный материал, в котором цепочки не обладают запутанностью, как клубок ниток.
— И что же вы будете делать?
— Будем мешать нитям запутываться. Понятно, что в этом случае мы должны отказаться от линейной природы полимеров. Потому что гибкие цепочки все равно запутаются, вы им не можете «приказать» этого не делать. Много статей было про кинетику этого процесса. Думаю, нужно сделать системы, в которых нити будут жестче, как карандаши в банке. Это уже прообраз некого кристалла, в данном случае жидкого.
— Как же вы будете их делать?
— Мы их уже делаем. Это наше ноу-хау, и сейчас в нашей среде идут споры о том, в каком состоянии эти кристаллы находятся. У нас с коллегами даже есть точка зрения, что это вообще новое состояние вещества.
— Новое состояние вещества? Это открытие нобелевского уровня, а то и выше…
— На лекциях мы часто показываем опыт, где берем полимерный шарик, его отпускаем, он отскакивает от стола очень упруго. А если мы его положим на стол, он через несколько минут растекается и формирует пятно. Вот в этом уникальная черта полимерных материалов, которые не воспроизводятся никаким другим веществом. Получается, что мы стоим на пороге нового мира, недоступного жесткой материи. То есть мы находимся на полпути к живым системам, к жизни.
— Это новый виток развития полимерной науки?
— С моей точки зрения, да. Теперь мы от этих длинных линейных цепочек переходим к более сложной архитектуре с молекулярными ворсинками разной длины, сочетанию разных блоков. То есть усложняем структуру, переходим к новому уровню сложности, и поэтому открываются такие уникальные черты, которые невозможны для более простых структур.
— Если уже есть пригодный материал из «жидких кристаллов», то с каких органов вы начнете?
— Пока мы не говорим о целых органах. Мы хотим создать такие синтетические полимеры, которые должны просто имитировать живое. Это то, что называется биомиметикой. То есть чтобы вы могли положить ваш кусочек полимера и рядом биологическую ткань, и вот если бы вы не видели, что перед вами лежит, а просто измеряли, допустим, механические свойства, вы не смогли бы их отличить. Прежде всего мы хотим создать такую синтетическую платформу, которая позволила бы создавать аналоги. Дальнейшие шаги — это помощь, допустим, реконструктивной хирургии. Мы можем создать материал, которым можно заполнить полость, образовавшуюся в ходе какой-то травмы.
— А сможет ваш материал заменить кожу?
— Уже сейчас у нас есть полимер, который повторяет свойства кожи. А там есть одна очень интересная характеристика. Кожа, как мы привыкли думать, — это мягкий материал. Если морщинки нежелательные появляются, можно их легко разгладить. Но при растягивании кожа становится твердой. Сильно деформировать кожу вы никогда не сможете, у вас сил не хватит, например, растянуть ее в два раза. Вам нужны будут стальные пассатижи. Ни один полимер до сих пор не мог такое свойство повторить. Но мы смогли создать материал, который удовлетворяет этому свойству. Причем цвет нашей кожи меняется от деформации, как у хамелеона.
— То есть в будущем, возможно, нас ждут операции по замещению кожи с любой расцветкой?
— Да, и расцветки мы тоже можем предусмотреть разные. Но подчеркну: наш материал ничего общего ни имеет ни с кожей, ни с хамелеоном. Это полимер, который обладает мягкостью, упрочнением при деформации и цветом, который зависит от деформации. И до клинического применения этого полимера еще пока далеко.
— Если говорить о полимерах будущего. Сейчас вышла суперпопулярная игра про СССР от российских разработчиков. Она называется Atomic Heart. Там полимер играет важную роль, а главный герой может в нем дышать и плавать. Возможно ли создание полимера с такими свойствами?
— Думаю, да. Полимеры могут быть пористыми. Например, пенопласт — это вспененный полистирол. В нем процент пор может быть достаточно большим. Существуют и другие полимерные пены — такие, как вспененный полиуретан. Это то, что применяют в строительстве. То есть я легко могу представить себе полимер, у которого процент пор огромен, в этом смысле он может позволить дышать. Если же вы говорите о жидкостном дыхании, то действительно есть примеры, когда легкие наполняли жидкостью, в которой есть растворенный кислород, и это позволяло в ней дышать. Нужен ли для этого обязательно полимер? В первую очередь к таким жидкостям предъявляется требование, чтобы они могли растворять существенные количества кислорода для дыхания и углекислого газа, который должен отводиться. Для нормального дыхания требуется прокачка достаточно больших объемов такой жидкости через легкие, и это может стать проблематичным, если у полимера высокая вязкость. Как раз здесь можно вернуться к нашему вопросу о сетке зацеплений: если зацепления удастся устранить, то реологические свойства такой полимерной жидкости, возможно, позволят ей дышать.
Теги:
науки о жизни