Сегодня уже сложно представить мир без гелей. Все хотя бы раз использовали гели для душа, гели после бритья, лосьоны, кремы, пасты, все пробовали мармелад, зефир, желе, холодец. Гели относятся к классу мягких материалов и являются популярными объектами изучения, поскольку имеют большое практическое значение для биомедицинских применений.
Ученые НИЛ «Синтез новых материалов биомедицинского назначения» Химического института им. А.М. Бутлерова Казанского федерального университета, созданной в рамках программы «Приоритет-2030», выявили закономерности формирования гелей с высоким содержанием воды на основе Fmoc-замещенных дипептидов в системах без дополнительного внешнего воздействия.
Результаты исследования опубликованы в журнале Journal of Molecular Liquids.
В КФУ исследованием гелей с 2017 года занимается группа под руководством директора Химического института КФУ Марата Зиганшина.
«Гели обычно разделяют на физические и супрамолекулярные. Особенностью последних является формирование гелевой матрицы за счет самопроизвольного упорядочения малых молекул – гелеобразователей. К классу гелеобразователей относятся дипептиды, состоящие из пары аминокислотных остатков и защитной группы. Преимуществами супрамолекулярных гелей на основе дипептидов является их биосовместимость и собственная биологическая активность, простота синтеза, а также низкая стоимость. Такие гели используются в биомедицине, например, в качестве систем доставки лекарств или матриц для выращивания тканей», – пояснил Марат Ахмедович.
По словам Марата Зиганшина, чтобы получить гель, необходимо перевести гелеобразователь, как правило, – это порошок, в раствор. В растворе, взаимодействуя друг с другом, молекулы образуют своего рода трехмерную наносеть, способную удерживать молекулы растворителя и молекулы биологически активных соединений.
«На сегодняшний день наиболее популярными методами получения гидрогелей являются: механическое воздействие, например ультразвуковая обработка; многократные нагрев и охлаждение; рН переключение. Есть еще один способ, основанный на замене растворителя: гелеобразователь сначала растворяют в подходящем органическом растворителе, а потом добавляют воду. На первый взгляд, это самый простой и безопасный способ, но ученые столкнулись с двумя проблемами. Некоторые гели таким способом по непонятной причине получить не удалось, а в тех, что получили, содержание органического растворителя было слишком высоким. Такие гели небезопасны для людей», – рассказал директор Химического института КФУ.
Ученые лаборатории провели комплексное исследование процесса гелеобразования у ряда дипептидов, отличающихся структурой боковых заместителей и содержащих защитную флуоренилметилоксикарбонильную группу (Fmoc).
«Мы сравнили способность к гелеобразованию четырех Fmoc-замещенных дипептидов, которые различаются только боковыми заместителями в аминокислотных остатках, – рассказывает Шамиль Ахметшин. – Было обнаружено: чем меньше размер боковых заместителей (атом водорода или CH3-группа), тем быстрее гели образуются, но они менее стабильные. В этом случае каркас геля формируется за счет взаимодействия Fmoc-заместителей между соседними молекулами дипептидов. Если боковым заместителем является бензильный фрагмент, то гель тоже быстро образуется, но при этом он очень стабильный, так как кроме связи Fmoc-заместителей между соседними молекулами дипептидов образуются связи за счет боковых заместителей. Самым удивительным оказался гель на основе Fmoc-LL. В литературе такой гель иногда упоминается, но никаких систематических экспериментальных данных по нему не представлено. Оказалось, что гели на основе Fmoc-LL очень нестабильны. Они быстро распадаются. Мы доказали, что большие C4H9 заместители в Fmoc-LL оказывают антагонистическое действие на взаимодействия Fmoc-групп и препятствуют образованию фибриллярных структур. В результате Fmoc-LL образует коллоидный гель, в котором формирование трехмерной сетки происходит за счет сил адгезии между сферическими агрегатами. Такие гели характеризуются невоспроизводимостью и низкой механической прочностью по сравнению с супрамолекулярными гелями. Их очень сложно получить и еще сложнее исследовать».
Химикам КФУ удалось получить стабильные гидрогели с большим содержанием воды. Сейчас они занимаются разработкой методики введения в эти гели лекарственного противоопухолевого препарата. Следующий этап – изучение кинетики его высвобождения.
«С помощью коллег из Федерального исследовательского центра КазНЦ РАН нам удалось "подглядеть" за молекулами дипептидов, когда они собирались в упорядоченные структуры. Мы изучили кинетику гелеобразования, оценили силу взаимодействия молекул гелеобразователя и реологические свойства полученных гелей, тип структурной организации в геле и в ксерогеле, который получается после удаления растворителей, а также с помощью атомно-силовой микроскопии охарактеризовали структуру сетки геля, – говорит Марат Ахмедович. – В результате проведенного исследования удалось установить, что в зависимости от длины алкильного радикала в боковом заместителе изученных дипептидов гидрофобные части дипептида или работают совместно и образуют волокнистую структуру и стабильный гель, или же, наоборот, конкурируют друг с другом за право определить тип окончательной структуры. В результате формируются компактные сферические частицы диаметром 20–100 нанометров, которые образуют неустойчивый коллоидный гель».
Полученные в КФУ научные результаты значительно облегчат работу тех, кто занимается исследованием гелей, поскольку установлены причины проблем с процессами гелобразования с участием дипептидов.
У гелей на основе дипептидов, считают ученые, большой потенциал: они могут использоваться для создания лекарственных и косметических средств пролонгированного действия, а также для очистки водоемов от различных загрязнений.
Автор: Лариса Бусиль
Фото из архива Марата Зиганшина
