Химики Томского государственного университета разработали гибридные материалы нового поколения. Исследователи соединили органические молекулы – кукурбитурилы и бамбусурилы, напоминающие тыкву и стебли бамбука, с наночастицами серебра и полупроводниковым нитридом углерода. Полученные гибриды могут выступать основой для умных систем адресной доставки противоопухолевых лекарств, создания высокоэффективных кровоостанавливающих повязок для экстренной помощи при тяжелых травмах, разработки экологичных фотокатализаторов.
Молекулы, получившие название кукурбитурилы, были синтезированы в 1905 году – и только в 1981 году доказаны их состав и строение. Долгое время они оставались малоизученными и не применялись из-за нерастворимости в воде и трудностей с определением структуры, – поясняет руководитель проекта, ведущий научный сотрудник лаборатории органического синтеза химического факультета ТГУ и Центра исследований в области материалов и технологий Абдигали Бакибаев. – Название «кукурбитурил» эти молекулы получили из-за сходства с тыквой (по-латыни Cucurbita).
Химики ТГУ использовали кукурбитурилы и схожий класс молекул – бамбусурилы (открыты в 2010 году, похожи на ствол бамбука) для создания новых медицинских материалов. Внутри этих структур есть жесткая полость, благодаря которой они работают в роли молекулы-«хозяина». Такие свойства кукурбитурилов и бамбусурилов позволяют им связываться с лекарственными препаратами, тем самым защищая их от разрушения в организме.
Необычные молекулы способны выступать «сотрудниками» адресной доставки, при этом не только транспортировать лекарство к биомишени, но и обеспечить контролируемую скорость высвобождения. Этот прием существенно снижает дозировку препаратов и минимизирует токсическое действие, что особенно важно для противоопухолевых препаратов.
Чтобы расширить функционал молекулярных «контейнеров», ученые химического факультета ТГУ разработали подходы к синтезу бинарных и тройных гибридных композитов. Они объединили в одну структуру три компонента с взаимодополняющими свойствами: курбитурилы и бамбусурилы, наночастицы серебра и нитрид углерода.
Молекулы в форме тыквы и бамбука отвечают за селективное связывание и адресное удержание биологически активных веществ. Наночастицы серебра придают материалу выраженные антибактериальные свойства. При этом макроциклы выступают в роли центров связывания: не дают наночастицам серебра слипаться, обеспечивая высокую стабильность растворов. Нитрид углерода – полупроводниковый материал, азотсодержащий аналог графена, обладает фотокаталитической активностью: способен улавливать солнечную энергию и использовать ее для запуска химических реакций в обычных условиях жизнедеятельности человека.
Чтобы сделать эти сложные слоистые системы применимыми на практике, исследователи нашли оригинальные химические способы нанесения их на поверхность различных биосовместимых «скаффолдов» (каркасов-носителей): костного минерала гидроксиапатита, природного диатомита и используемого в медицине никелида титана.
Прикладной потенциал разработанных тройных гибридных систем охватывает сразу несколько критически важных направлений. В первую очередь это экстренная помощь при тяжелых ранениях. При открытых переломах, травматических ампутациях и сильных наружных кровотечениях в полевых условиях стандартом доврачебной помощи остаются жгут, шина и обычные сорбенты (например, активированный уголь). Однако они не способны оперативно остановить обильное кровотечение и предотвратить развитие опасных инфекций при длительном отсутствии стационарной помощи.
Созданные учеными гибридные композиции обладают одновременно мощным гемостатическим (кровоостанавливающим) и бактерицидным действием. На их основе можно создавать кровоостанавливающие пакеты и раневые повязки нового типа, которые сокращают сроки заживления, уничтожают патогенные микроорганизмы и легко удаляются с поверхности раны, не повреждая регенерирующие ткани. Завершающиеся испытания таких систем открывают путь к их производству методом 3D-печати (аддитивных технологий). Гибридные композиты очень перспективны в качестве антибактериального покрытия для имплантов и инструментов.
Отметим, что химики ТГУ не только создали новые материалы, но и разработали научно-методологические основы для синтеза гибридных материалов нового поколения. Ученые смогут использовать кукурбитурилы и бамбусурилы как строительные блоки для создания новых композитных продуктов для персонализированной медицины.
Исследования проводятся при поддержке федеральной программы «Приоритет 2030». Часть результатов большого проекта представлены в журнале Biomedical Materials.
Фото пресс-службы ТГУ
Источник: Минобрнауки России
