Органічні матеріали

ОРГАНІ́ЧНІ МАТЕРІА́ЛИ — матеріали, основою надмолекулярної структури яких є молекули органічних речовин, повʼя­зані між собою як хімічними, так і фізичними звʼязками. 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-звʼязаного 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 повʼязана 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 звʼяз­ки 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 мʼяких 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 Гамбʼє (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 обʼ­єд­нуються 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.