ИСТИНА

В настоящей работе предлагается создать универсальную платформу дизайна материалов, построенную на понимании физических закономерностей, контролируемых синтетических подходах и описании соотношений структура-свойство. В качестве основы новых эластомерных материалов предлагается использовать не линейную, а так называемую щеточную полимерную и сополимерную архитектуру, которая характеризуется присутствием плотно пришитых боковых цепей. Отталкивание боковых цепей вызывает растяжение щеточного блока в зависимости от длины и плотности пришивки боковых цепей, что приводит к быстрому упрочнению при деформации.

The advent of personalized medicine, the accelerating development of wearable electronics and soft robotics lead to a rapidly growing demand for synthetic materials that mimic the mechanical and swelling properties of living tissues. For these applications, materials with a variety of mechanical parameters are in demand: from very soft, imitating, for example, fat tissue (mechanical modulus about 100 Pa) to hard, intended, for example, to replace cartilage tissue (mechanical modulus about 1 MPa). In this project, we propose to create a universal platform for the design of novel materials, built on the understanding of physical laws, controlled synthetic approaches and the description of structure-property relations. As a basis for new elastomeric materials, we are going to use the so-called bottlebrush architectures, that are characterized by the presence of side chains densely grafted on the polymer backbone. Depending on the length and density of the side chains, the repulsion between the side chains causes stretching of the backbone, which leads to rapid hardening during deformation.

В проекте предлагается впервые создать универсальную платформу для целенаправленного синтеза нового класса самоорганизующихся эластомерных сеток на основе так называемых щеточных макромолекулярных архитектур для биомедицинских применений. Отход от использования линейных полимеров обусловлен тем, что при отсутствии молекул воды (растворителя) они не позволяют получить модуль Юнга меньше примерно 100 кПа и не обладают свойством быстрого упрочнения при деформации. Таким образом, использование сеток линейных полимеров в плане создания материалов имплантов, воспроизводящих механические свойства мягких живых тканей представляется проблематичным. В проекте будут получены фундаментальные результаты о корреляциях химической архитектуры щеточных сополимеров с механическими, оптическими и термическими свойствами, что позволит проводить целенаправленный дизайн материалов со строго заданными функциональными свойствами. В дополнение к фундаментальным результатам в работе будут разработаны пять концепций для создания новых эластомеров для биомедицинских применений, включая материалы для имплантов и инъецируемые композиции, которые будут отверждаться внутри организма. Данные концепции будут использоваться в качестве основы для проектирования персонализированных медицинских устройств, имплантов и тканевой инженерии с точно настраиваемыми механическими характеристиками, соответствующими окружающим тканям. Участие индустриальных партнеров, софинансирующих проект, поможет оценить потенциал новых эластомеров для биомедицинских применений. Как один из практических результатов данного проекта может рассматриваться подготовка доклинических испытаний медицинских изделий (МИ) и подготовка ТУ для МИ. На данный момент, согласно данным литературного обзора, подобные системы не применяются, что позволяет заключить о своевременности планируемых исследований с учетом перспектив их использования.

Лаборатория инженерного материаловедения, возглавляемая Д.А. Ивановым, в течение последних лет активно проводит исследования принципа молекулярной самосборки для создания новых функциональных материалов на основе мягких сред (soft matter). Так, следуя хронологическому порядку, группой изучались возможности создания электронных и оптоэлектронных устройств на основе супрамолекулярных фаз новых дискотических и звездообразных мезогенов. В этих работах исследовалась корреляция надмолекулярной структуры и электронных характеристик в зависимости от силы специфических взаимодействий, таких как водородные и π-π связи. С помощью комбинации синхротронного рассеяния и методов атомно-силовой микроскопии изучались возможности создания пленок на основе оптически-активных ЖК-систем со специально заданной текстурой, в том числе условия образования так называемой гомеотропной ориентации супрамолекулярных колончатых фаз, обеспечивающих оптимальные условия для повышенной подвижности носителей заряда между электродами в геометрии солнечных батарей. В развитие темы органических электронных устройств, в группе изучались фазовые диаграммы донорно-акцепторных систем на основе физических смесей и донорно-акцепторных сополимеров для органических солнечных батарей, допированных полимерных полупроводников для создания сенсоров, а также взаимосвязь между электронными характеристиками и надмолекулярной структурой активных слоев органических электронных устройств. В последние годы в группе ведется разработка блок сополимеров типа «стержень-клубок» с привитыми фуллеренами для создания активных полимерных слоев в фотовольтаических устройствах на основе объемной донорно-акцепторной гетероструктуры. Особой строкой в исследованиях группы проходит изучение термического и фазового поведения термотропных и лиотропных систем на основе амфифильных мезогенов для моделирования систем доставки лекарств, а также для создания ионпроводящих мембран с точно заданной топологией наноразмерных ионпроводящих каналов.

Основной результат проекта - создание универсальной платформы для дизайна полимерных материалов, построенной на понимании физических закономерностей, контролируемых синтетических подходах и описании соотношений структура-свойства. Разрабатываемые материалы на основе архитектурно-асимметричных блок сополимеров будут обладать адаптивными механическими и оптическими свойствами и смогут точно воспроизводить деформационные кривые биологических тканей. Результаты данного проекта заложат основы для целенаправленного проектирования и создания персонализированных изделий биомедицинского применения, включая импланты, адгезивы, продукты тканевой инженерии и средства целевой доставки лекарств.