Разработан «умный» супрамолекулярный материал, разрушающийся со временем

Исследователи из Германии разработали «умный» супрамолекулярный материал, который можно запрограммировать на самосборку и саморазрушение. Этот материал самоорганизуется при потреблении химического топлива и разрушается со скоростью, которую можно регулировать. В дальнейшем подобные материалы могут пригодиться для адресной доставки лекарственных препаратов — контейнер из него сможет распасться в нужное время в нужном месте организма, высвобождая фармакологически активное вещество.

В последнее время всё большее распространение получают «умные» материалы (Smart materials), свойства которых предсказуемо меняются при воздействии внешних факторов. Такими факторами могут быть механическое воздействие, электрическое или магнитное поля, температура, свет, влажность или кислотность среды. В идеале изменение свойств «умного» материала должно быть обратимым, и такой цикл должен иметь возможность повторяться много раз.

К «умным» материалам относят:

• самовосстанавливающиеся материалы, которые могут «залечивать» возникающие в них дефекты;
• сплавы с эффектом памяти формы, изделия из которых в результате нагрева могут восстанавливать свою первоначальную форму после деформации;
• самосмазывающиеся материалы, уменьшающие трение или износ;
• самоочищающиеся материалы, которые способны отталкивать воду, органические жидкости и иные загрязнения;
• саморазрушающиеся материалы, способные разрушаться либо при контакте с какими-либо химическими веществами, либо по истечении определенного времени.

Применение нанотехнологии позволяет разрабатываать «умные» супрамолекулярные материалы, как, например, созданный французскими химиками высокоэластичный материал, который можно «склеить» при комнатной температуре, просто прижав друг к другу два его фрагмента, без использования дополнительных реагентов и без нагревания (P. Cordier et al., 2008. Self-healing and thermoreversible rubber from supramolecular assembly).

Супрамолекулярные материалы состоят из молекулярных строительных блоков, связанных между собой ионными химическими или межмолекулярными (например, водородными) связями — менее прочные, чем ковалентные. Именно за счет образования водородных связей и «затягиваются» дефекты в самовосстанавливающихся супрамолекулярных полимерах. Примером супрамолекулярных материалов служат биологически активные гидрогели — сети, состоящие из цепочек природных или синтетических полимеров, имеющих большое сродство к воде и, как следствие, активно поглощающие воду (содержание воды в гидрогеле может доходить до 90%).

Супрамолекулярные гидрогели, которые меняют свои свойства, реагируя на воздействие видимого или ультрафиолетового света, ферментов или кислотности среды, уже нашли свое применение во многих областях нашей повседневной жизни: из гидрогелей изготавливают контактные линзы, гидрогели могут использоваться как средство для накопления воды в почве для комнатного или декоративного растениеводства.

Несмотря на столь очевидный прогресс, существующие супрамолекулярные системы и гидрогели, в частности, значительно уступают природным супрамолекулярным системам в возможности приспособления к условиям окружающей среды и работы в автономном режиме. Дело в том, что созданные человеком к настоящему времени супрамолекулярные гидрогели формируются в результате взаимодействия, которое не может самопроизвольно протекать в обратном направлении, и, после того, как такой гидрогель самоорганизуется, он остается устойчивым, а для его разрушения необходимо ввести новый реагент. В ряде случаев это совсем неплохо, но для некоторых областей, в первую очередь для биомедицины, нужны супрамолекулярные системы, которые, самоорганизуясь, могут затем медленно разрушиться. Из таких материалов можно было бы, например, соорудить микроконтейнеры, содержащие фармакологически активное вещество, которые могли бы разрушиться через некоторое время после введения в организм, высвобождая свое содержимое.

В то же самое время, супрамолекулярные материалы природного происхождения, для которых нехарактерна такая устойчивость, известны. Они существуют в состоянии близком к равновесному положению «самосборка-разрушение», которое смещается в ту или иную сторону в зависимости от концентрации «топлива» биохимических реакций, например, молекул аденозинтрифосфата (АТФ). К примеру, такая обратимая самосборка-разборка обеспечивает работу цитоскелетных белков, обеспечивающих структурную целостность клетки и ее способность к движению. Изменение концентрации АТФ поддерживает эти белки в состоянии постоянного динамического перехода от «собранной» к «разобранной» форме и наоборот. Если бы самосборка цитоскелетных белков в супрамолекулярную систему происходила необратимо, они бы приняли наиболее выгодную с точки зрения энергии форму, и движение клеток стало бы просто невозможным (Bartosz A. Grzybowski et al., 2009. Self-assembly: from crystals to cells).

Можно сказать, что искусственные супрамолекулярные материалы образуются в условиях термодинамического контроля (молекулы — строительные блоки необратимо собираются в наиболее устойчивый ансамбль), а природные управляются кинетическим контролем (супрамолекулярная система может обратимо собираться/разрушаться в зависимости от концентрации определенных веществ в реакционной смеси). Изучив свойства природных материалов, исследователи из группы Джоба Боекховена (Job Boekhoven) из Мюнхенского технического университета (Technische Universität München, TUM) создали синтетический гидрогель, существующий в условиях кинетического контроля и способный не только к самосборке, но и к самопроизвольному разрушению (рис. 2).

В качестве исходных веществ супрамолекулярной системы были использованы производные аминокислот или пептидов, содержащие две карбоксилатные группы –СОО– (дикарбоксилаты). Под воздействием химического топлива — карбодиимидов (соединений, содержащих фрагмент –N=C=N–) дикарбоксилаты переходят в ангидриды, которые за счет одного из типов межмолекулярных взаимодействий — гидрофобных взаимодействий, самоорганизуются в сшитые сетчатые структуры. В качестве среды для образования таких сетчатых структур исследователи использовали прозрачный полиакриламидный гидрогель. После того как карбодиимидное топливо расходуется, необратимо превращаясь в производные мочевины, ангидриды гидролизуются содержащейся в гидрогеле водой, в результате чего регенерируются исходные дикарбоксилаты, и супрамолекулярное образование разрушается (рис. 3).

Время образования и разрушения такой сетчатой структуры можно регулировать, изменяя содержание химического топлива в системе, что позволяет использовать образованную из ангидридов супрамолекулярную сетку для создания контейнеров, высвобождающих свое содержимое в строго определенное время. Дикарбоксилаты, образующиеся при гидролизе ангидридов и разрушении супрамолекулярной сетки, можно снова превратить в ангидриды: нужно просто добавить новые порции карбодиимидного топлива.

На нано- и микроскопическом уровне форма образующихся супрамолекулярных систем зависит от строения исходных веществ: продукты взаимодействия различных по структуре аминокислот способны самоорганизоваться в сферические или нитевидные образования, хотя пока заранее надежно предсказать строение такого образования, опираясь на структуру исходных веществ, не удается. Исследователи из Мюнхена продемонстрировали возможности новой системы, применив сферические супрамолекулярные структуры для создания саморазрушающихся чернил, с помощью которых в демонстрационном эксперименте они изобразили логотип TUM, который медленно разрушался до полного исчезновения (см. рис. 1 и видео).

Результаты работы немецких химиков можно назвать уверенной демонстрацией возможности получения различных по форме и по времени жизни саморазрушающихся супрамолекулярных структур на аминокислотной или пептидной основе. Структуры в большей степени контролируются кинетическими факторами (концентрацией химического топлива), а не термодинамическими (устойчивостью продукта самосборки).

На настоящий момент результаты исследования не могут применяться в биомедицине: карбодиимидное топливо может участвовать в нежелательных реакциях в организме (например, в сшивке белков с нуклеиновыми кислотами, см. 1-Этил-3-(3-диметиламинопропил)карбодиимид). К тому же образование супрамолекулярного материала изучалось при строго определенном значении кислотности (рН = 6), и пока неясно, как будет протекать изученный процесс при значительных (и незначительных) ее колебаниях. Тем не менее, предполагается, что опыт, накопленный при создании нового «умного» супрамолекулярного материала, окажется полезным для получения более сложных биологически совместимых систем, в качестве химического топлива для получения которых будут применяться более избирательно реагирующие с предшественниками супрамолекулярного материала вещества, чем карбодиимиды.

Источник: Marta Tena-Solsona, Benedikt Rieß, Raphael K. Grötsch, Franziska C. Löhrer, Caren Wanzke, Benjamin Käsdorf, Andreas R. Bausch, Peter Müller-Buschbaum, Oliver Lieleg & Job Boekhoven. Non-equilibrium dissipative supramolecular materials with a a tunable lifetime lifetime // Nature Communications. 2017. DOI: 10.1038/ncomms15895.

Аркадий Курамшин

@funscience to be continued...