ЗАКОПАТЬ БЫ ЭТО ПОД КУСТОМ
Как биополимеры противодействуют экологической катастрофе
Поклонимся матушке-природе. Она подарила нам целлюлозу, хитин и крахмал — биополимеры с удивительными свойствами. Источники этих природных материалов тоже удивительны, поскольку они неисчерпаемы. Воспроизводимые, возобновляемые — так называют их учёные. Сколько ни израсходуй человек, появляются в большом количестве снова и снова. Целлюлоза была прорывом в науке прошлого века — прорыв в науке, обусловленный хитозаном, происходит на наших глазах. «Земля нижегородская» уже писала об исследованиях, которые проводятся в ННГУ имени Лобачевского на кафедре высокомолекулярных соединений и коллоидной химии. Например, запатентованный биоразлагаемый бактерицидный биополимер. Продолжаем разговор.
Век крахмала и хитозана
Хитозан был открыт в середине XIX века и надолго предан забвению. Примерно 30 лет назад исследователи нашли способ его выделения из отвала хитина. Отвалы эти возникают благодаря естественному процессу: множество живых существ, от крабов и креветок до насекомых, оставляют старые хитиновые панцири. Эти отвалы и есть возобновляемый источник хитозана. Как только нашли возможность получать хитозан из хитина, по всему миру поднялась волна интереса к нему, поскольку областей его применения — великое множество. Правда, биополимер этот пока что очень дорогой. Крахмал ещё более воспроизводим, вдобавок дешёвый. С хитозаном они дополняют друг друга: один по стоимости, другой по свойствам. Кроме того, экологические проблемы встали сегодня во весь рост, и стало важно использовать материалы, которые снижают загрязнение планеты. Правда, сама технология получения хитозана пока что грязная, поскольку использует агрессивные концентрированные щёлочи и соляную кислоту. Но получаемые продукты имеют удивительные свойства. Например, в косметике хитозан увлажняет, разглаживает, заживляет. Несколько лет назад университетские химики насытили хитозаном крем для кожи лица и даже успешно продавали. К сожалению, тогда не нашли, как наладить сбыт крема, и направление застопорилось, хотя говорили о новом продукте много и воодушевлённо.
Зуб с частицей
Наука XXI века принесла человечеству нанокомпозиты. Это сейчас бум. Нанокомпозитами называют материалы, которые содержат в составе частицы наноразмеров: 10 в минус седьмой — 10 в минус пятой степени сантиметров. По размерам частиц это коллоидные системы, такие же, как табачный дым, туман, нефть, молоко. Добавление наночастиц, например, в стёкла, существенно меняют их свойства. Нанокомпозиты широко используют в стоматологии, других областях медицины и много ещё где. Вы спросите: а при чём тут хитозан? Дело в том, что хитозан — самый универсальный на сегодняшний день стабилизатор наночастиц. Он помогает наночастицам распределяться по всему объёму материала. Важно, что применение хитозана в сочетании с крахмалом снижает экологическую нагрузку на природу, потому что они сами разлагаются, биодоступны, биосовместимы, воспроизводимы, а крахмал ещё и дешёвый.
Дайте поскорее
— Одна из наших работ в прошлом году вошла в тройку лучших патентов страны, сейчас она в семёрке лучших патентов. Это патент по инсулину, — рассказывает профессор кафедры Лариса Александровна Смирнова. — Использование хитозана позволяет создать препараты белковой природы. Когда мы съедаем белок, он переваривается. Многие препараты белковой природы, в частности, инсулин, попадая в желудок, также перевариваются, как обычный белок. Поэтому они вводятся инъекционно. Наш коллектив сотрудников и аспирантов сделал композицию с инертным ядром, на него намотали хитозан, за ним слой инсулина, и хитозан принял его в свои объятия. Всё это мы закрыли очень большим слоем хитозана. Получилась маленькая наноразмерная «куколка». Попадая в кишечник, она ползёт по нему, прикрепляясь к стенкам кишечника, и постепенно разрушается. Но не успевает разрушиться полностью. В процессе перистальтики в стенках кишечника открываются щелевые контакты, и уменьшившаяся в размерах куколка проникает в кровь. Эта уникальная разработка ведёт к грандиозной перспективе появления инсулина в таблетках, в отличие от инсулина в инъекциях. Но пока что химики показали это только на мышах: инсулин в такой форме работает не хуже инъекционного. Дальше работа встала. Теперь нужны серьёзные доклинические исследования, нужны партнёр, клиника, заинтересованные люди. Однако инвесторам сегодня требуется более быстрый результат, чем можно ожидать от этой разработки. Тем временем со всех сторон химикам идут письма: «Дайте такое лекарство детям, скорей завершайте исследования». Люди ждут! Инвесторы, где вы? Кстати, принцип многослойной оболочки с инертным ядром может быть использован и с другими субстанциями, для изготовления других препаратов.
Удивительный анатаз
Каждый из нас сталкивается с химией в быту. Например, материал под названием оксид титана (TiO2) знают все, это титановые белила , так называемый рутил. И вот здесь нам понадобится термин: аллотропная форма. Аллотропия — это способность атомов элемента образовывать разные вещества, отличающиеся строением. Например, кислород может образовать газ кислород и газ озон. Оксид титана тоже может существовать в разных аллотропных формах. Одна из них — анатаз. Анатаз — удивительная структурная форма. Под действием света в анатазе рвутся химические связи и выделяется активный кислород. Он разрушает всё подряд, в том числе грязь и примеси, и это свойство можно использовать, чтобы создавать самоочищающиеся поверхности. Даже самые вредные вещества, вроде токсичного фенола и отходов его производства, можно разлагать до углекислого газа и воды. Они безвредные. Используя это свойство, можно создавать материал, который способен разлагать вредные примеси в воде до безвредных веществ. Однако для этого нужно получить анатазную форму оксида титана в наномасштабах. Наноструктирированный анатаз соединяют с крахмалом и хитозаном. Объём добавок — меньше 1 процента. Микроскопические частицы равномерно распределяются по объёму материала, и тогда у материала выравниваются механические свойства и появляется способность к самоочищению. Если нанести на поверхность тонкую плёночку, она будет очищаться сама. Эта работа химиков ННГУ запатентована.
Важно для человечества
Несколько лет назад сотрудники кафедры совместно с Федеральным государственным научным учреждением «Всероссийский научно-исследовательский и технологический институт птицеводства» РАН изготовили очень хороший продукт для птицеводства: наноструктурированную медь, стабилизированную хитозаном. Здесь требуется несколько пояснений. Сейчас куры не выращиваются без антибиотиков. Эти антибиотики потом поглощаем мы, потребители. Однако антибиотики можно с успехом заменить препаратами меди в микроколичествах. По воздействию эти препараты равноценны антибиотикам, но не так вредны, поскольку медь в применяемых дозировках является необходимым биодоступным элементом. На исследования получен грант, но, к сожалению, работы остановились из-за структурных преобразований грантодателя. Продолжаются другие работы. Они необходимы всему человечеству. Посудите сами — сегодняшний век немыслим без полимеров. Их производят в гигантских количествах, а перерабатывают только половину, остальное — выбрасывается на свалки. Под действием света, влаги, ветра полимеры истираются и в виде микрочастиц, как непрошеные попутчики, по пищевой цепочке поступают к нам в организм, встраиваются в нашу систему, проникают в клетки, нарушают работу организма. Мало того — они очень активны и абсорбируют на себе всю нечисть, тяжелые металлы и вредные вещества. И в этом случае крахмал, как природный полисахарид — дешевый, воспроизводимый, биоразлагаемый полимер, после модификации, может существенно помочь в решении экологических проблем. Поэтому так важны работы с биополимерами, которые можно съесть или закопать под кустом, не задумываясь об ущербе природе и нам самим. Многообразным их практическим применением занимается команда студентов, магистров, аспирантов ННГУ, которая живет и дышит общими интересами. Удивительный коллектив, каждый день заглядывающий в завтра.
Светлана КУКИНА.
Фото предоставлено пресс-службой ННГУ.
