Гидрогели также играют важную роль в науке. С химической точки зрения они представляют собой длинные трехмерно сшитые полимерные молекулы, образующие полости. Внутри они могут поглощать и удерживать молекулы воды.

В рабочей группе бывшего профессора химии Вюрцбурга Роберта Люксенхофера проверяется пригодность гидрогелей для биофабрикации: например, гидрогели можно использовать для 3D-печати в качестве каркасных структур, к которым можно прикреплять клетки. Таким образом, например, можно производить искусственные ткани для медицинских исследований и регенеративной терапии.

Образование гидрогеля представляло собой загадку

Во время этого исследования доктор Лукас Хан из команды Люксенхофера заметил необычную форму образования гидрогеля. Он наблюдал это в полимерах, предназначенных для наномедицины, в частности для доставки лекарств.

Эти полимеры образуют сферические наночастицы в воде при температуре 40 градусов. Когда вода охлаждается ниже 32 градусов, сферы объединяются в червеобразные структуры и образуется гель. При нагревании он снова растворяется.

"Такое поведение очень редко встречается в синтетических полимерах и было совершенно неожиданным", - объясняет Роберт Люксенхофер, который сейчас преподает и проводит исследования в Хельсинкском университете. Если это все же происходит, то образование геля обычно происходит из-за водородных связей - сил притяжения между полярными функциональными группами, включающими атомы водорода, которые оказывают стабилизирующее действие. Такие взаимодействия имеют центральное значение, например, для структуры и функции белков.

Однако с полимерами, с которыми мы здесь имеем дело, дело обстоит совершенно иначе. С точки зрения их химической структуры, они не способны образовывать водородные связи друг с другом. По-видимому, исследователи наткнулись на неизвестный механизм образования геля.

Прорыв в области ЯМР-спектроскопии

Чтобы решить эту головоломку, Роберт Люксенхофер обратился за сотрудничеством к профессору химии Анн-Кристин Пепплер из Университета Юлиуса-Максимилиана Вюрцбурга (JMU), эксперту в области определения характеристик наночастиц, изготовленных из полимеров. В сотрудничестве с другими исследовательскими группами ее команда более внимательно изучила своеобразную форму гелеобразования - сложную головоломку, на решение которой ушло добрых два года.

"Мы смогли прояснить неизвестный механизм, потому что использовали широкий спектр аналитических инструментов. В конце концов, однако, прорыв произошел благодаря различным методам ЯМР-спектроскопии", - объясняет химик JMU. Ее докторантка Тереза Цорн выяснила, что приводит к образованию геля в данном случае: специфические взаимодействия между амидными группами водорастворимого и фенильного колец нерастворимых в воде полимерных строительных блоков. Эти взаимодействия приводят к тому, что сферические наночастицы конденсируются и перестраиваются в червеобразные структуры.

Выводы могут быть подтверждены теоретическими расчетами: доктору Йозефу Кехрейну, бывшему аспиранту JMU, профессору Кристофу Сотрифферу, эксперту в области компьютерного моделирования трехмерных взаимодействий между молекулами, это удалось. Он тоже сейчас работает в Хельсинки.

Результаты были опубликованы в ACS Nano, журнал Американского химического общества (ACS). Работу финансировали Немецкий исследовательский фонд (DFG), Академия Финляндии и другие сторонники.

Какие этапы исследования следуют за этим

Куда мы пойдем дальше? Исследователи убеждены, что недавно открытый механизм образования гидрогеля также применим к другим полимерам и их взаимодействию с биологическими тканями.

Поэтому команда хочет химически модифицировать полимеры, чтобы увидеть, как это влияет на их свойства и гидрогелеобразование. Может оказаться возможным специфически влиять на температуру гелеобразования, а также на прочность и долговечность геля. Из модифицированных материалов можно было бы выбрать те, которые наиболее подходят для использования в биофабрикации.

Команда Анн-Кристин Пепплер, финансируемая Вюрцбургским университетом, также хочет исследовать, могут ли наночастицы и, следовательно, гидрогель быть загружены "молекулами-гостями". Это может быть интересно для медицинского применения - если гель растворится при температуре тела, он может высвободить активные вещества, которыми он был предварительно насыщен. Возможны варианты применения в виде имплантатов, пластырей или контактных линз.