ИСТИНА

Проект направлен на создание новых функциональных материалов с прогнозируемыми сроками разложения, широко востребованных в высокотехнологичных отраслях медицины, например, в качестве саморассасывающихся шовных материалов, имплантатов, высокодисперсных материалов для регенеративной медицины. Одним из перспективных направлений является разработка гибридных материалов на основе биоразлагаемых полимеров, причем важно не только получить такие материалы, но и сократить срок их разложения и сделать его контролируемым, что и определяет актуальность данного научного направления. В данной работе предлагаются различные физико-химические подходы к модификации биоразлагаемых полимеров на основе термопластичных сложных полиэфиров алифатического ряда, таких как полилактид (ПЛ) и поли(ε-капролактон) (ПКЛ) и создание новых композиционных материалов, деструкцию которых возможно осуществлять в контролируемом режиме. Следует отметить, что использование материалов на основе этих полимеров не наносит вреда биосфере и живым организмам, так как они подвергаются деструкции в естественной среде с образованием безопасных продуктов (вода и углекислый газ). Благодаря своей нетоксичности, биосовместимости и способности к биоразложению, полиэфиры уже сейчас применяются для различных изделий биомедицинского назначения и упаковочных материалов. Однако, достаточно длительные сроки разложения ПЛ и ПКЛ являются тормозящим фактором их эффективного внедрения. В качестве одного из подходов для получения материалов с ускоренным разложением предлагается введение в полимеры молекулярного йода и его солей, например иодидов. Выбор подобных наполнителей обусловлен рядом факторов. Так, йод обладает противомикробными и рентгеноконтрастными свойствами, и, как было показано нами ранее, ускоряет деструкцию полилактида. Существование йода в различном виде (газообразный, в растворе) расширяет возможности его использования. Взаимодействие йода с полимерами будет изучено при сорбции галогена из газовой фазы (в парах) и спиртовых растворов, а также в момент образования в результате химических окислительно-восстановительных реакций с участием йодсодержащих соединений. Для регулирования «активности» йода и времени разложения полимеров предложено йодсодержащие вещества помещать в специальные контейнеры, роль которых будут выполнять полимерные наночастицы, пористые носители типа гидроксиапатитов и диоксида кремния и др., что позволит контролируемо высвобождать активный компонент. Проект включает в себя большой объем работы как по синтезу и модификации указанных полимеров, в том числе изготовлению из них волокон и пленок, так и обширный план исследований с использованием широкого спектра экспериментальных методов. Изучение кинетики и механизма разложения наполненных материалов различного состава на основе алифатических полиэфиров в присутствии йодсодержащих веществ будет осуществлено с помощью таких современных экспериментальных методов исследования, как ЯМР, ГПХ, УФ-видимая и ИК-спектроскопия, рентгеноструктурный анализ (МУРР, БУРР), ДСК, оптическая и электронная микроскопия, динамометрия. Будет проведена оценка токсичности и противомикробных свойств разрабатываемых полимерных материалов с йодом в зависимости от его концентрации. Анализ полученных результатов и установление факторов, влияющих на процессы деструкции (кинетику и механизм), послужат фундаментальной базой для создания биоразлагаемых функциональных материалов с прогнозируемыми свойствами. Практическая направленность проекта связана с необходимостью обеспечивать контроль за скоростью разложения веществ, вводимых в человеческий организм в составе шовного материала или имплантатов.

The project is aimed at creating new functional materials with predictable degradation times that are widely in demand in modern medicine, for example, as self-absorbable suture materials, implants, and highly dispersed materials for regenerative medicine. The development of hybrid materials based on biodegradable polymers is the promising areas, and it is important not only to obtain such materials, but also to reduce the period of their decomposition and make it controllable, which determines the relevance of this scientific direction. This project is devoted to the development of physical and chemical approaches for the modification of synthetic biodegradable polymers based on polylactide (PLA) and poly(ε-caprolactone) (PCL) of various compositions, and the creation of nanocomposite materials based on them with controlled degradation. The use of materials based on these polymers is not harmful to the biosphere and living organisms, since they undergo destruction in the natural environment with the formation of safe products (water and carbon dioxide). Polyesters are widely used in various biomedical and packaging materials due to their non-toxicity, biocompatibility and biodegradability. A complicating factor in the use of PLA and PCL should be noted rather long periods of their decomposition. As one of the approaches for obtaining materials with accelerated decomposition, it is proposed to introduce molecular iodine and its salts, for example, iodides, into polymers. The choice of such fillers is determined by a number of factors. Thus, iodine has antimicrobial and radiopaque properties, and, as we have shown earlier, it accelerates the destruction of polylactide. The existence of iodine in various forms (gaseous, in solution) expands the possibilities of its use. The interaction of iodine with polymers will be studied during the sorption of halogen from the gas phase (in vapors) and alcohol solutions, as well as at the time of formation as a result of chemical redox reactions involving iodine-containing compounds. To regulate the "activity" of iodine and the time of decomposition of polymers, it is proposed to place iodine-containing substances in special containers, the role of which will be performed by polymer nanoparticles, porous carriers such as hydroxyapatites and silicon dioxide, etc., which will allow controlled release of the active component. The project includes the synthesis and modification of polyesters, including the production of fibers and films, and an extensive research plan using a wide range of experimental methods. The study of the kinetics and mechanism of decomposition of nanocomposite materials with different compositions based on various aliphatic polyesters in the presence of iodine-containing substances will be carried out using modern experimental methods such as NMR, GPC, UV-visible and IR-spectroscopy, X-ray diffraction analysis (SAXS, WAXS), DSC, optical and electron microscopy, tensile testing. The toxicity and antimicrobial properties of the developed polymer materials with iodine will be assessed depending on its concentration. The analysis of the results obtained and the determination of the factors influencing the degradation processes and their control will serve as a fundamental basis for the development of biodegradable functional materials with predictable properties. The practical aim of the project is related to the need to control the rate of decomposition of substances introduced into the human body as the suture material or implants.

В работе будет проведено систематическое исследование процессов взаимодействия биоразлагаемых сложных полиэфиров алифатического ряда с йодом и его соединениями, выступающими в качестве инициатора и регулятора процессов деструкции полимеров с использованием современных методов исследования. Будут разработаны подходы контролируемого выделения йода из контейнеров или его синтеза непосредственно в объеме полимера. На основании проведенных исследований будут получены следующие оригинальные результаты: 1. Разработаны подходы для получения материалов на основе различных гомополимеров алифатических сложных полиэфиров (ПЛ разного стереохимического состава и ПКЛ), содержащих различное количество неорганического наполнителя, которые позволяют регулировать скорость деструкции полимеров; проведена их оптимизация. 2. Исследовано влияние фактора формы (пленки, волокна, др.) изделий из алифатических сложных полиэфиров при обработке их йодом из газовой фазы, спиртовых растворов, выделившимся из контейнеров на молекулярно-массовые характеристики, структуру и механические свойства полимеров; 3. Изучена кинетика выделения йода из различных контейнеров (наночастицы, пористые носители) или в результате протекания окислительно-восстановительных реакций, а также десорбции йода из полиэфирных образцов на воздухе и в водной среде при 20 или 37°С; 4. Определены константы скорости деструкции ПЛ и ПКЛ в присутствии йода и йодсодержащих соединений на воздухе и в водных средах при 20 или 37°С; 5. На основании данных ГПХ, ЯМР и др. предложены механизмы деструкции ПЛ и ПКЛ в присутствии йода на воздухе и в водной среде. Полученные научные результаты представляются актуальными для материаловедения, в частности при создании биомедицинских изделий и экологически чистых функциональных материалов с контролируемым временем разложения. Предложенные в проекте подходы для решения поставленных задач оригинальны и просты в исполнении, универсальны, а ожидаемые результаты соответствуют мировому уровню исследований.

Авторами проекта накоплен большой экспериментальный материал по синтезу и исследованию свойств полилактида и сополимеров на его основе. Разработаны оригинальные подходы к изучению кинетики полимеризации и сополимеризации лактида, позволяющие получать материалы с заранее заданными характеристиками, различными сроками биоразложения, теплофизическими и механическими свойствами. Проведено систематическое исследование структуры и механических свойств биоразлагаемых полиэфиров (полилактид, поли(ε-капролактон), поли-п-диоксанон) и широкого круга промышленных крупнотоннажных полимеров (полиэтилен, полипропилен, полиэтилентерефталат и др.). Авторы владеют экспериментальными навыками изучения деформационного поведения аморфных и кристаллических полимеров в газообразных, сверхкритических и жидких средах. Изучение свойств биоразлагаемых полиэфиров было предпринято ранее при выполнении инициативных проектов РФФИ 13-03-00652, № 16-03-00504 и получило свое развитие при выполнении междисциплинарного гранта РФФИ № 18-29-17016.