Органічні матеріали

ОРГАНІ́ЧНІ МАТЕРІА́ЛИ — матеріали, основою надмолекулярної структури яких є молекули органічних речовин, пов’я­зані між собою як хімічними, так і фізичними зв’язками. У складі О. м. можлива наявність молекул неорган. речовин та їх надмолекуляр. структур (див. також Неорганічні матеріали). Серед сучас. класифікацій О. м. основними є: за походженням матеріалів; за призначенням; за складом; за здатністю матеріалів до флюоресценції. Найуживанішими є перша та друга. За походженням поділяють на матеріали природ. походження, отримані внаслідок життєдіяльності та біохім. реакцій у живих організмах, і на матеріали, отримані внаслідок цілеспрямованого хім. синтезу. До О. м. природ. походження можна віднести матеріали на основі целюлози, танінів, протеїнів (білків), ліпідів, полісахаридів, вуглеводів; до О. м. синтетич. походження — матеріали, отримані шляхом полімеризації та поліконденсації, рідкокристалічні матеріали, метал-орган. каркаси, плівки Ленґмюра–Блоджетт. Найважливішим класом орган. сполук з погляду обсягу виробництва є вуглеводи, оскільки вони становлять бл. 75 % щорічно відновлюваної біомаси, або 180 × 109 т. З них лише невелику частину (бл. 4 %) використовують люди, решта розкладається та утилізується природ. шляхом. Крім харчової промисловості, їх використовують у різних напрямах текстил., папер. та лакофарб. галузей.

Найважливішою групою вуглеводів є полісахариди — клас біол. макромолекул, що відіграють важливу роль у великому репертуарі біохім. і біомех. функцій. Більшість дослідж. із застосування полісахаридів у біоматеріалах ґрунтуються на полісахаридах, що продукують мікроби або отримані з тканин тварин, які збирають, очищають та в деяких випадках хімічно модифікують. Найважливішими полісахаридами в тканинах ссавців є глікозаміноглікани (ГАГ) та хітин. До них зараховують хондроїтинсульфат, дерматансульфат, кератансульфат, гепарансульфат, гепарин та гіалуронан. Хітин — це полісахарид, що виробляють членистоногі, та побіч. продукт виробництва молюсків. Це сополімер β-1,4-зв’язаного D-глю­козаміну та N-ацетил D-глюко­заміну з високим ступенем ацетилювання. Хітозан одержують з хітину шляхом часткового N-де­ацетилювання залишків N-аце­тил-D-глюкозаміну. Серед методів, доступних для отримання полісахарид. матеріалів, особливу увагу привертають ковалентне приєднання моношарів, що самоорганізуються (SAM), формування полімер. щіток і пошар. утворення багатошар. поліелектролітів (PEM). Матеріали на основі полісахаридів застосовують для адгезії клітин. культур на них, конт­ролю їх функцій та для систем доставки лікар. засобів. Напр., хітозан-гепарин. матеріали використано для покращення ендотелізації артеріал. стентів, виготовлених з нержавіючої сталі. Наночастинки полісахаридів були запропоновані для покращення біосумісності препаратів з малою молекуляр. масою, таких як хіміотерапевт. засіб доксорубіцин і протигрибк. засіб амфотерицин B. Полісахариди використовували для ефектив. стабілізації біол. макромолекул, таких як білки та ДНК. Серед полісахаридів окремо виділяють матеріали на основі целюлози, що є одним із найпоширеніших матеріалів на Землі та найпоширенішим орган. полімером, що становить бл. 1,5 × 1012 т річного виробництва біомаси. Другим за розповсюдженістю О. м. на нашій планеті є лігнин. Деревина залишається одним з найважливіших джерел сировини для отримання целюлози, але можна використовувати й ін. джерела (коноплі, бавовна, сизаль, рамі тощо). З нею пов’язана величезна кількість світ. галузей промисловості, таких як виробництво паперу, текстилю, харч. продуктів і косметики. Є природ. полімером, що складається із кільцевих молекул глюкози. Ступінь полімеризації варіює від 10 000 до 15 000 і залежить від вихід. матеріалу целюлози. Кожна ланка, що повторюється, містить 3 гідроксил. групи. Ці гідроксил. групи та їхня здатність утворювати водневі зв’яз­ки між ланцюгами целюлози визначають фіз. властивості целюлози. Сучасні розроблення провадять у напрямках роботи з целюлоз. гідрогелями, матеріалами на ос­нові геміцелюлози, нановолокнами і наночастинками на основі целюлози. Такі матеріали можна застосовувати в еластич. електропровід. елементах, соняч. панелях, кістк. імплантах, гідрогелях тощо. Їхньою особливістю є можливість бути прозорими, що є важливим елементом зазначених напрямків застосування. Целюлоза здатна розчинятися у доступ. розчинниках та/або їхніх сумішах. Напр., для створення гідрогелів можна використовувати LiCl/диметилацетамід, N-метил­морфолін-N-оксид, водні системи луг/сечовина (або тіосечовина).

До важливих матеріалів, споріднених з вуглеводнями за складом і будовою, зараховують матеріали на основі полімолоч. кислоти, матеріали, що використовують для поверхнево-актив. середовищ, поліефіри бактеріал. походження, поліаміди, отримані на основі матеріалів природ. походження. Полімолочна кислота (PLA) — поліефір, отриманий шляхом димеризації молоч. кислоти. Завдяки високій міцності з PLA виготовляють волокна, плівки та стрижні, що повністю протягом 45–60 днів біорозкладаються (утворення молоч. кислоти, CO2) і компостуються. Відповідно, PLA та сополімери молоч. та гліколевої кислоти мають особливе значення для упаковки харч. продуктів, а також для використання в с. госп-ві або садівництві. Вони є дуже хорошими матеріалами для хірург. імплантатів і швів, ос­кільки саморозсмоктуються. Використання поверхнево-актив. речовин на основі вуглеводнів ґрунтується на застосуванні дешевих, доступних у великих кількостях цукрів як гідрофіл. компонен­тів і жирних кислот або жирного спирту як ліпофіл. частини. Це дає можливість створювати неіонні поверхнево-активні речовини, що нетоксичні, не подразнюють шкіру та повністю біологічно розкладаються. Типовими прикладами таких промислово значущих поверхнево-актив. речовин є складні ефіри жирних кислот сорбіту (складні ефіри сорбітану) та сахарози, аміди жирних кислот 1-ме­тиламіно-1-дезокси-D-глюцитолу (NMGA) та т. зв. алкілполіглікозиди. Через ці їхні значення гідрофільного/гідрофоб. балансу складні ефіри сорбітану застосовують як неіонні поверхнево-активні речовини, а також як розчинники та емульгатори в косметиці, фармацевтиці, при обробленні текстилю тощо. Поліефіри бактеріал. походження або полігідроксиалканоати є сімейством склад. поліефірів, що продукують різні бактерії, в яких вони відкладаються в стінці бактеріал. клітин. Були розроблені пром. процеси одержання полігідроксибутирату та полімеру на основі 3-гідроксимасляної та 3-гідроксивалеріанової кислоти [(P3HB)-co-3(HV), торг. назва Biopol]. Обидва поліефіри мають добрі мех. властивості, біосумісність і біорозкладність і, отже, широке застосування в косметиці, гігієні та с.-г. матеріалах, у системах доставки ліків і в мед. хірургії.

Понад 90 % поліамідів, що вироб­ляють у світі, ґрунтуються на шестивуглец. мономерах — капролактам (нейлон 6) і адипінова кислота/гексаметилендіамін (нейлон 66), виробництво яких базується винятково на застосуванні нафти. Заміна мономерів на нафт. основі цих поліамідів мономерами, отриманими з цукрів, є досить перспектив. підходом. Поліконденсація в розчині або міжфазна поліконденсація дихлоридугалактар. кислоти в його ацетильованій формі з різними аліфатич. і ароматич. діамінами дає низку поліамідів, що нагадують нейлон 66, в якому частина атомів гідрогену заміщена ацетоксигрупами. Ці групи можна деацилювати водним розчином аміаку з отриманням тетрагідроксилованого нейлону 6,6. «Квазіаромат.» мономери на основі цукру для поліамідів, тобто фуран-2,5-ди­карбонова кислота, здаються особливо актуальними, оскільки вони можуть замінити терефталеву або ізофталеву. Фуран-1,6-діамін має аналогіч. потенціал як замінник пара-фенілендіаміну. Значна кількість таких фуран. поліамідів була отримана з використанням дикарбон. кислоти й аліфатич. та ароматич. діамінів. Поліамід, що утворюється в результаті конденсації з пара-фенілендіаміном (кевлар), має кращі властивості, ніж у чисто фуран. поліамідів.

Таніни — недорогі та поширені природні полімери, вторинні поліфенол. метаболіти вищих рослин, переважно наявні у м’яких тканинах (листи, голки чи кора). Після целюлози, геміцелюлози та лігніну танін. речовини є найпоширенішими сполуками, що витягують з біомаси, листя, коріння, кори, насіння, деревини та плодів. Найпоширенішою танін. сировиною є кора мімози (Acacia­mearnsii, ormollissima), деревина квебрахо (Schinopsisbalansae та Schinopsislorentzii), кора сосни (Pinusradiata), пагони та листя Гамб’є (Uncariagambir). Таніни є важливими комерц. речовинами, що традиційно використовують як дубил. речовини в шкір. промисловості. Їх постачають для потреб мед., космет., фармацевт. та харч. пром-стей. Історично виокремлюють 2 групи танінів: гідролізовані та негідролізовані (конденсовані). Гідроліз. таніни можна розділити на прості компоненти обробленням гарячою водою або ферментами. Конденс. танін. речовини мають більш високу активність відносно до альдегіду, що робить їх хімічно та економічно доцільнішими для отримання смол, клеїв та ін. застосувань, окрім шкіри. Знач. мірою таніни використовують як сорбенти природ. походження.

Матеріали на основі поліпептидів (білк. структура) складаються з пептид. буд. блоків, які вибирають на основі їх індивідуал. структур. властивостей чи функцій. Ці буд. блоки об’єднуються в упорядковані повторювані послідовності. Завдяки модул. комбінації функціонально різних доменів можна створити практично будь-які багатофункціонал. матеріали з унікал. здатністю точно відповідати потребам конкрет. застосування. Створені на основі білків матеріали пропонують як передбачувану біофункціональність, характерну для природ. матеріалів, так і точну настроюваність, більш характерну для синтет. матеріалів. Одним із сучас. способів їх отримання є синтез рекомбінант. білків. Його основою є використання пептидів з різними властивостями, поєднання яких дозволяє створювати поліпептидні матеріали, що мають набір цих властивостей. При такому синтезі організм-господар (зазвичай бактерія, така як Esche­richiacoli) використовують для отримання поліпептиду, що представляє інтерес. Створюють синтет. ген, що кодує необхід. поліпептид, і вставляють в генет. вектор, що потім переносять в організм-господар, який експресуватиме кодований поліпептид. цільовий матеріал у культурі. Після експресії організмом-господарем отриманий матеріал очищають. Рекомбінантні поліпептиди, в першу чергу, використовують як біоматеріали через їхні унікал. структурні домени, що повторюються. Були створені конструкції біоматеріалів для протеоліт. деградації, клітин. адгезії, ферментатив. та антимікроб. активностей. Вони можуть бути використані для полегшення синтезу неорган. матеріалів, зокрема й вуглецеві нанотрубки та напівпровідник. нанодроти. Серед поліпептидів, що широко використовують для отримання матеріалів, — еластин, шовк, резилін.

У мембранах клітин існують різні види ліпідів, від простих жирних кислот і діацилгліцеринів до склад. гангліозидів і ліпополісахаридів. Фосфоліпіди та моноглікозилгліколіпіди займають проміжне положення за хім. складністю. Особливим типом фосфоліпідів, що наявний тільки в мітохондріях, є чотириланцюг. ліпід. кардіоліпін, який утворюється шляхом злиття 2-х молекул фосфатид. кислоти. Фосфоліпіди, гліколіпіди та сфінгомієліни мають тенденцію до утворення рідкокристаліч. пластинчастих фаз у широкому діапазоні умов. Зокрема, ліпіди, такі як фосфатидилетаноламін та моноглікозилдіацилгліцерини, мають різні проміжні фази, відмінні від ламеляр. фаз, що ідентифікують як неламелярні фази. Серед ліпід. структур, що становлять знач. матеріалозн. інтерес, можна виділити: кубосоми, гексосоми, ліпоплекс, канальці, стрічки, кохлеати, ISCOM(ISCOMatrix). Всі вони перспективні для систем доставки ліків або ін. матеріалів мед. чи біол. застосування. Кубосоми — частки кубико-колоїд. дисперсії неламеляр. ліотроп. кристаліч. фаз. Гексосоми є гексагонал., щільно упакованими, стрижнеподіб. міцеляр. структурами, у внутр. частині яких містяться молекули води. Ліпоплекс — комплекси на основі ліпідів та ДНК. Їх можна застосовувати у генній терапії при невірус. підході до системи доставки генів. Канальці є порожнистими циліндрами з відкритими кінцями, утворені згортанням одного або декількох шарів з внутр. діаметром просвіту бл. 10–70 нм. Стрічки є проміж. ланками під час формування канальців. Зазвичай вони утворені нестабіл. попередниками канальців. Це довгі прямокутні смужки, що згинаються по циліндрич. поверхні. Розроблено матеріали (Abelcet®) на основі стрічкоподіб. структур з амфотерицином для препаратів 2-ї лінії для лікування грибк. інфекцій. Кохлеати є ліпід. супрамолекуляр. структурами, утвореними в результаті взаємодії між осн. складовими аніон. фосфоліпідами (особливо фосфатидилсерином) і двовалент. катіонами, такими як кальцій (Ca2+). Вони є циліндрич. структурами, утвореними спірал. ліпід. шарами, що утримуються разом катіон. містком. Кохлеати використовують для доставки ліків завдяки перевазі захисту актив. речовини від агресив. зовн. середовищ усередині організму. ISCOM(ISCOMatrix) є склад. каркас. структурами, утвореними за рахунок взаємодії ліпідів і сапонінів. Можуть мати потенційне застосування у доставці вакцин шляхом включення імуногенів (зазвичай білків) у структуру.

Завантажити статтю