Для этих функций требуются полимеры как с жесткими, так и с мягкими наноразмерными отсеками с чрезвычайно разными свойствами, которые организованы определенным образом. Исследователи из Северо-Западного университета разработали совершенно новый гибридный полимер этого типа, который однажды может быть использован в искусственных мышцах или других подобных живым материалам; для доставки лекарств, биомолекул или других химикатов; в материалах с возможностью самостоятельного ремонта; и для сменных источников энергии.«Мы создали удивительный новый полимер с наноразмерными отсеками, которые можно многократно удалять и химически регенерировать», — сказал материаловед Сэмюэл И. Ступп, старший автор исследования.«Некоторые из наноразмерных компартментов содержат жесткие обычные полимеры, но другие содержат так называемые супрамолекулярные полимеры, которые могут быстро реагировать на стимулы, доставляться в окружающую среду, а затем легко регенерироваться снова в тех же местах.
Супрамолекулярные мягкие компартменты могут быть «анимированные для создания полимеров с функциями, которые мы видим в живых существах», — сказал он.Ступп — директор Северо-Западного института биотехнологий Симпсона Куэрри. Он является лидером в области нанонауки и супрамолекулярной самосборки, стратегии, используемой биологией для создания высокофункциональных упорядоченных структур.
Гибридный полимер умело сочетает в себе два типа известных полимеров: полимеры, образованные сильными ковалентными связями, и полимеры, образованные слабыми нековалентными связями, хорошо известные как «супрамолекулярные полимеры». Интегрированный полимер предлагает два различных «отсека», с которыми химики и материаловеды могут работать, чтобы обеспечить полезные свойства.
Исследование будет опубликовано в номере журнала Science от 29 января.«Наше открытие может изменить мир полимеров и открыть третью главу в их истории:« гибридный полимер », — сказал Ступп. «Это последует за первой главой широко используемых ковалентных полимеров, а затем за более поздним появляющимся классом супрамолекулярных полимеров.«Мы можем создавать активные или отзывчивые материалы, которые ранее не были известны, используя отсеки со слабыми нековалентными связями, которые должны быть очень динамичными, как живые существа.
Некоторые формы этих полимеров, которые сейчас разрабатываются в моей лаборатории, ведут себя как искусственные мышцы», он сказал.Полимеры получают свою силу и свойства от своей структуры в наномасштабе.
Ковалентный жесткий каркас первого гибридного полимера Ступпа имеет поперечное сечение в форме звезды ниндзя — твердое ядро со спиралевидными рукавами. Между руками более мягкий материал «жизненной силы».
Это область, которую можно анимировать, обновлять и заряжать — функции, которые могут быть полезны в ряде ценных приложений.«Удивительная химия гибридных полимеров заключается в том, что при одновременном выращивании двух типов полимеров образуется структура, которая полностью отличается от двух, выращенных по отдельности», — сказал Ступп. «Я могу представить себе этот новый материал как супер-умный пластырь для доставки лекарств, где вы загружаете пластырь с различными лекарствами, а затем повторно загружаете его в те же самые отсеки, когда лекарство заканчивается».Ступп также является профессором кафедры материаловедения и инженерии, химии, медицины и биомедицинской инженерии в Попечительском совете и занимает должности в Медицинской школе Файнберга Северо-Западного университета, Школе инженерии и прикладных наук Маккормика и Колледже искусств и наук Вайнберга.
Ступп и его исследовательская группа также обнаружили, что ковалентная полимеризация, образующая жесткий отсек, «катализируется» супрамолекулярной полимеризацией, что приводит к образованию полимеров с гораздо более высокой молекулярной массой.Сильно связанный ковалентный отсек обеспечивает скелет, а надмолекулярный отсек со слабыми связями может изнашиваться или использоваться, в зависимости от его функции, а затем регенерируется путем добавления небольших молекул. После одновременной полимеризации ковалентных и нековалентных связей два отсека соединяются друг с другом, образуя очень длинную цилиндрическую нить идеальной формы.
Чтобы лучше понять основную химию гибрида, Ступп и его команда работали с Джорджем Шацем, всемирно известным теоретиком и профессорами химии Чарльза Э. и Эммы Х. Моррисон в Северо-Западном университете. Компьютерное моделирование Шаца показало, что два типа отсеков хорошо интегрированы с водородными связями, которые можно разорвать. Шац является соавтором исследования.«Это замечательное достижение в создании полимеров совершенно новым способом — одновременным контролем как их химии, так и того, как их молекулы соединяются», — сказал Энди Ловингер, директор программы по материаловедению в Национальном научном фонде, который финансировал это исследование.
«Мы только находимся в самом начале этого процесса, но в дальнейшем он потенциально может привести к материалам с уникальными свойствами, такими как разборка и повторная сборка, которые могут иметь широкий спектр применений», — сказал Ловингер.Работа называется «Одновременная ковалентная и нековалентная гибридная полимеризация».
Помимо Ступпа и Шаца, другими авторами статьи являются Жилин Ю (первый автор), Файфан Тантакитти, Тао Ю и Лиам К. Палмер, все из Северо-Запада.