ИСТИНА

В последние десятилетия активно развиваются подходы “зеленой химии” для синтеза полимеров, среди которых особый интерес вызывает применение сверхкритического СО2 (скСО2). Для карбоцепных полимеров практическая реализация этого метода ограничена главным образом радикальной гомополимеризацией, которая чаще всего протекает гетерофазно в среде скСО2. Закономерности радикальной сополимеризации в сверхкритических условиях практически не установлены. Изменяя параметры сверхкритического флюида, прежде всего температуру и плотность, можно влиять на растворимость мономеров и сополимеров в реакционной среде, на вязкость среды и, как следствие, на относительную активность мономеров в сополимеризации, т.е. на состав сополимеров, распределение мономерных звеньев в цепи и композиционную неоднородность сополимеров. В данном проекте планируется решить следующую научную проблему: установить основные закономерности радикальной сополимеризации акриловых мономеров в среде сверхкритического СО2, разработать подходы для контролируемого синтеза гидрофильных и амфифильных термочувствительных сополимеров с регулируемой микроструктурой цепи с помощью полимеризации с обратимой передачей цепи (ОПЦ) и установить влияние структуры сополимера на жизнеспособность и миграционную активность клеток на полимерных подложках.

The project is dedicated to the development of thermoresponsive copolymers of N-isopropylacrylamide (NIPAM) for tissue engineering. In this case, NIPAM copolymers require high purity and the ability to exhibit hydrophilic/hydrophobic properties in a given temperature range. In this project, it is proposed for the first time to use copolymerization in a supercritical CO2 (scCO2) medium under conditions of reversible chain transfer (RCT), which allows, on the one hand, to control the molecular structure, morphology, and biocompatibility of the copolymer, and, on the other hand, to ensure the purity of the product during the isolation of the copolymer . The use of scCO2 as one of the variants of “green chemistry” is relevant for the synthesis of polymers and makes it possible to avoid the use of organic solvents. N-tert-butyl acrylamide will be used as a comonomer, the hydrophobic units of which will make it possible to optimize the value of the lower critical dissolution temperature (LCST) for the NIPAM copolymer. The scientific novelty of the project is determined by the establishment of regularities of radical copolymerization (classical and RAFT) in the scCO2 medium, information about which is practically absent in the literature. It is planned to establish the relationship between scCO2 parameters, primarily temperature and density, concentrations of components and the phase state of the reaction medium, relative activities of monomers in copolymerization. These factors affect the composition and compositional heterogeneity of copolymers, as well as the distribution of monomer units in the chain. RAFT copolymerization in scCO2 is planned to be carried out in two versions: in the precipitation mode, when the resulting copolymer loses its solubility and is released into a separate phase, and under polymerization-induced self-assembly (PISA) conditions, when the synthesis of an oligomeric hydrophilic precursor will be carried out at the first stage according to the RAFT mechanism, and at the second stage, NIPAM or its mixture with hydrophobic N-tert-butyl acrylamide NTBA will be added to the reaction mixture containing the oligomer, initiator, scCO2. This will provide amphiphilic block copolymer particles that will be stabilized by a short hydrophilic block. The obtained data will expand the theoretical understanding of copolymerization processes in heterophase media, the properties of which vary over a wide range with small changes in temperature and pressure. It is planned to synthesize NIPAM copolymers that differ in molecular weight characteristics, composition, unit distribution, and compositional heterogeneity. Determination of the thermoresponsive properties of such copolymers will make it possible to establish a correlation between the molecular structure of such copolymers and the regularities of the coil–globule transition in aqueous solutions. Spin probe and spin label EPR spectroscopy will be used to establish the regularities of this transition. This is practically the only method that makes it possible to solve such problems for concentrated solutions and films. To solve a practical problem - the creation of coatings with controlled hydrophobicity and LCST, theoretical calculations of the processes of dissolution of polymer films will be carried out within the framework of the molecular dynamics method. Aset of biological methods will determine the cytotoxicity of aqueous solutions of polymers, analyze the rate of attachment of a suspension of single cells, the rate of formation of a cell monolayer and the proliferative activity of cells on polymer films. As a result of the project, it will be possible to establish the effect of the copolymer structure on the viability and migration activity of cells on polymer substrates. Thus, this project proposes not only to obtain systematic knowledge of copolymerization processes in supercritical media, but also to solve the practical problem of creating biocompatible thermoresponsive copolymers that form coatings with controlled hydrophobicity for tissue engineering problems using the principles of “green” chemistry.

В 2024 году будут: 1) получены фазовые диаграммы двухкомпонентных смесей СО2 - АИБН, СО2 - НИПАМ, СО2 - НТБА, СО2 -RAFT агент при 60-90 °С и плотности СО2 508-808 кг/м3). 2) построены кинетические кривые и оценены константы скоростей классической радикальной полимеризации НИПАМ; найдены оптимальные условия – давление, температура, концентрация мономера для синтеза полимера с высоким выходом и высокой молекулярной массой (ММ). 3) построены кинетические кривые ОПЦ-полимеризации НИПАМ, определены концентрации реагентов, температуру и давление, способствующие образованию полимера с высоким выходом, заданной ММ и узким ММР. 4) проведена классическая радикальная сополимеризация НИПАМ и НТБА в среде скСО2, определен состав и молекулярно-массовые характеристики сополимеров; 5) методом динамического светорассеяния и спектроскопии ЭПР в рамках методики спинового зонда определены НКТР водных растворов синтезированных полимеров, а также структура и динамика нано- и микронеоднородностей в процессах образования и растворения полимерных глобул. 6) выбран оптимальный метод молекулярно-динамических расчетов растворения полимерных глобул в воде (выбор модели, реакционного поля, др.) 7) проведена оценка цитотоксичности полученных полимеров. В 2025 году будут: 1) получены кинетические параметры сополимеризации НИПАМ и НТБА; определены относительные активности мономеров, фазовое состояние реакционной смеси с зависимости от содержания сомономеров, композиционная неоднородность сополимеров и их молекулярно-массовые характеристики. 2) синтезирован спин-меченый ПНИПАМ 3) определена растворимость синтезированных полимеров и сополимеров в воде в зависимости от состава мономерной смеси и содержания спиновой метки в полимерной цепи. 4) методом динамического светорассеяния и спектроскопии ЭПР в рамках методики спинового зонда и спиновой метки определена НКТР водных растворов синтезированных полимеров, а также структура и динамика нано- и микронеоднородностей в процессах образования и растворения полимерных глобул. 5) проведены молекулярно-динамические расчеты, моделирующие процессы растворения сополимеров в воде при разных температурах, и оценены энергии гидратации полимерных цепей. 6)пределена биосовместимость синтезированных структур, параметры взаимодействия суспензии мультипотентных мезенхимных стромальных клеток с трехмерными скаффолдами. 7) методом электроспиннинга получены покрытия на основе синтезированных полимеров и установлены закономерности прикрепления, роста и открепления клеток. Оценены характеристики адгезии, пролиферации и открепления клеток от полимерных подложек. 8) проведен выбор оптимальных параметров структуры формируемых матриц, анализ миграционной активности клеток в структуре, определены механические свойства матриц без клеток и в их присутствии

Руководитель гранта Е.Н. Голубева имеет опыт модификации полимеров медицинского назначения (полилактида и др.) в среде скСО2, в том числе вспенивания, импрегнации биологически активными веществами [1-3]. С участием Е.Н. Голубевой и А.А. Поповой методом ЭПР in situ [4] установлены качественные и количественные характеристики модельных процессов диффузии парамагнитных молекул в набухшие в скСО2 полимеры [5,6]. С использованием спектроскопии ЭПР в рамках методики спинового зонда были установлены закономерности высвобождения биологически активных веществ, в том числе спин-меченых лекарственных препаратов из полилактидных матриц разной морфологии и предложен механизм высвобождения, учитывающий сложную совокупность физико-химических процессов, происходящих в полимерной матрице [7-9]. Е.Н. Голубевой с использованием метода ЭПР в рамках методики спинового зонда установлены закономерности перехода клубок-глобула в растворах термочувствительных полимеров, а также получены данные о микрополярности и микроподвижности в полимерных глобулах [10,11]. Е.Н. Голубева имеет опыт реализации проектов РНФ и РФФИ совместно с сотрудниками Сеченовского университета. Беканова М.З. имеет опыт исследования закономерностей гомо- и сополимеризации по механизму ОПЦ в массе и органических средах, а также изучения химической модификации функциональной тиокарбонильной группы [12]. Беканова М.З. в своих исследованиях применяла метод динамического рассеяния света для изучения процессов взаимодействия функционализированного полиметилметакрилата с квантовыми точками [12-15]. Для Бекановой М.З. это будет первый опыт совместной работы по изучению ОПЦ-полимеризации в условиях скСО2. Ревокатова Д.П. имеет опыт оценки цитотоксичности, биосовместимости и механических свойств полимеров медицинского назначения [16- 17].