Из водорослей и света: ученые в России создали универсальный материал для медицины и промышленности

Путем простого облучения водного раствора альгината и комплексного соединения железа светом, исследователи получили гидрогели с регулируемой прочностью. Эти материалы, полученные при поддержке гранта Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), являются однородными, прочными и устойчивыми к воздействию влаги.


Альгиновая кислота извлекается из бурых и красных водорослей, которые встречаются в морях по всему миру. Это полимерные сетки, состоящие из молекул альгината — углеводного вещества, которое находится в клеточных стенках бурых водорослей. Альгинатные гидрогели обладают рядом ценных свойств: они упругие, биосовместимые, биоразлагаемые и способны поглощать большое количество воды.

Гидрогели, полученные путем смешивания солей альгината с различными металлами, широко применяются в пищевой промышленности и медицине. Они могут использоваться в различных областях, например, в качестве клея, а также основы для 3D-печати медицинских изделий, таких как имплантаты, лекарственные формы, тканевая инженерия и раневое лечение. Однако для этого необходимо контролировать физико-химические характеристики гидрогелей, такие как прочность, вязкость, пористость и скорость деградации.

Однако существующие методы их производства имеют недостатки, так как результатом является материал с неоднородной структурой, что негативно сказывается на его механических свойствах.

Ученые из Института элементоорганических соединений имени А. Н. Несмеянова РАН (Москва) в соавторстве с Сколковским институтом науки и технологий (Москва) и Институтом органической химии имени Н. Д. Зелинского РАН (Москва) предложили новый метод синтеза альгинатных гидрогелей, который позволяет быстро получить однородные материалы с регулируемой прочностью.

Вместо традиционных солей железа исследователи предложили использовать комплексное соединение этого металла, которое распадается при воздействии света. При облучении смеси альгината и комплексного соединения железа, материал начинает застывать благодаря химической реакции между полимером и соединением железа. Твердение происходит быстро и гель превращается в твердое вещество оранжевого цвета.



Эксперименты показали, что при одинаковых пропорциях комплекса железа и полимера, полученный материал обладает высокой прочностью и устойчивостью к влаге. Это объясняется наличием большего количества жестких сшивок между нитями полимера, которые формируются благодаря ионам железа.

Исследователи также проверили использование полученного гидрогеля в качестве клея для стекла. Прочность склеивания оказалась настолько высокой, что шов выдерживал давление, сравнимое с нагрузкой в 1 килограмм на каждый квадратный сантиметр. При этом новая технология позволяет контролировать точки склеивания за счет облучения, что гарантирует равномерное распределение клея и эффективную работу.

Ученые показали, что таким образом можно получать гидрогели разной жесткости: от мягких до твердых. Кроме того, они обнаружили, что гидрогели имеют высокую термостабильность и способны сохранять свою форму при нагревании до 200 °C. Также они изучили биологическую активность гидрогелей и подтвердили их биосовместимость и бактерицидность.

Исследование было опубликовано в журнале Chemical Communications. Авторы надеются, что их метод откроет новые возможности для создания альгинатных гидрогелей с заданными свойствами для различных приложений.