1. Реакции образования макромолекул
2. Химические превращения и модификации полимеров
3. Физика и реология полимеров
4. Полимерные жидкие кристаллы и мезофазы
5. Химические сенсоры
6. Химия медико-биологических полимеров

В Институте активно разрабатываются фундаментальные проблемы науки о полимерах: пути синтеза макромолекул и специфические закономерности их химических превращений; полимерные жидкие кристаллы и мезофазы; химия медико-биологических полимеров; реология полимеров. Как закономерный результат фундаментальных исследований, создаются разнообразные полимерные материалы и изделия прикладного назначения, при этом широко используются методы макромолекулярного дизайна.

1. Реакции образования макромолекул.

Разрабатываются методы синтеза полимеров, оригинальные каталитические системы, исследуется механизм реакций полимеризации.

Проводится работа по аддитивной полимеризации норборнанеа и его производных. (Лаборатория металлоорганического катализа, В.А.Яковлев, К.Л.Маковецкий совместно с Лабораторией карбоциклических соединений, зав. лаб. Е.Ш.Финкельштейн, В.И.Быков). С применением оригинальных для этой реакции никель-каталитических систем получены аморфные высокотермостойкие полимеры с би- и полициклическими звеньями в основной цепи, представляющие интерес для применения в оптической электронике. Еще более перспективны для этих целей сополимеры норборнена с этиленом с температурой стеклования 130-150оС, полученные под влиянием хелатных комплексов никеля. С такого рода катализаторами оказалось возможным получать и новые полимерные материалы - сополимеры этилена с функциональными производными норборнена, являющиеся полимерной основой фоторезистов для микролитографии.

Возможности синтеза новых полимеров и сополимеров полиэлектролитной природы с достаточно высокими молекулярными массами на основе мономеров ряда диаллиламина (ДАА) исследуются в Лаборатории химии полиэлектролитов и поверхностно-активных полимеров (зав. лаб. Д.А.Топчиев, с 2001г. и.о. зав. лаб. Н.А.Сивов). На основе кинетических данных и квантово-химических расчетов найдены условия полимеризации производных ДАА, в которых подавляется деградационная передача цепи. Синтезирован новый мономер N,N-диаллил-N-метиламмонийтрифторацетат, радикальной полимеризацией которого получен высокомолекулярный полимер (ММ @ 30000-50000).

В Лаборатории химии карбоциклических соединений (Е.Ш.Финкельштейн) создано перспективное направление - химия высокомолекулярных не силоксановых кремнийорганических полимеров (поликремнийуглеводородов). Разработан эффективный общий метод их синтеза - полимеризационное раскрытие напряженных кремнийуглеродных гетероциклов (силациклобутанов, дисилациклобутанов, силациклопентенов и силаинданов), а также карбоциклов с кремнийсодержащими заместителями (например, силилнорборненов и норборнадиенов). Получены гетероцепные полисилаалкилены, -алкенамеры, -арилены, а также карбоцепные полициклопентиленвинилены, содержащие силильные боковые группы. В зависимости от строения они могут быть как пленкообразующими пластиками, так и типичными эластомерами. Многие из них проявляют высокую термическую и химическую стабильность, хорошие мембранные характеристики, ценные электрофизические свойства.

Осуществлен синтез высокопроницаемых структурных аналогов полимеров винилового и ацетиленового рядов, содержащих углерод, кремний и германий, с различной конфигурацией полимерной цепи (Лаборатория синтеза селективно-проницаемых полимеров, зав. лаб. В.С.Хотимский). Установлены корреляции между строением полимеров, их фундаментальными физико-химическими характеристиками (фазовое состояние, плотность, свободный объем и т.п.) и функциональными свойствами переноса газов и паров органических веществ.

В лаборатории химии полисопряженных систем (зав. лаб. Г.П.Карпачева) ведутся исследования по созданию новых электроактивных полимеров с системой сопряжения, исследованию их структуры и свойств, а также по разработке новых нетрадиционных методов синтеза полисопряженных систем, позволяющих получать известные полимеры с улучшенными физико-химическими свойствами.

Впервые осуществлена окислительная полимеризация фенотиазина с образованием гетероциклического полимера, который содержит атомы азота и серы, участвующие в общей системе полисопряжения. С использованием этого полимера в качестве электрохимического «маркера» впервые удалось наблюдать кажущуюся электроактивность белков на границе раздела двух несмешивающихся жидкостей (октана и воды).

В лаборатории разработан метод пограничной полимеризации анилина на поверхности твердых и жидких субстратов различной химической природы. В оптимальных условиях предложенный метод позволяет получать в ходе синтеза полианилин, имеющий бездефектную, полностью поляронную структуру, обеспечивающую высокий уровень электропроводности. На базе этого метода получен высокоэффективный легко регенерируемый гетерогенный сорбент, частицы которого инкапсулированы в тонкой, бездефектной и адгезионно прочной пленке полианилина, обеспечивающего стабильную работу сорбента в водных и органических средах при температурах до 200оС. Сорбент может быть эффективно использован для извлечения металлов (в том числе тяжелых) из промышленных сточных вод, а также для концентрирования следов ценных металлов (в том числе благородных) из сильно разбавленных растворов.

На основе изучения поведения полисопряженных систем в условиях фотовозбуждения предложен новый подход к созданию регистрирующих материалов и впервые реализована высокоэффективная голографическая запись информации за счет реакции образования полисопряженной системы в полимерах арилпропаргиламинов.

В этой же лаборатории показано, что в тонких слоях полиакрилонитрила в присутствии фуллерена под действием некогерентного ИК-излучения формируется углерод-углеродный композиционный материал, представляющий собой плоские графитоподобные слоевые структуры с встроенными углеродными кластерами. Эти материалы перспективны в качестве анодного электрода в литиевых источниках тока.

2. Химические превращения и модификации полимеров

Институт занимает лидирующее положение в мире в области разработки общей теории макромолекулярных реакций.

В Лаборатории модификации полимеров (зав. лаб. Н.А.Платэ, А.Д.Литманович) исследуются специфические закономерности макромолекулярных реакций, обусловленные длинноцепочечной природой полимерного реагента, как основы для направленной модификации полимеров. Разрабатываются теоретические и экспериментальные методы изучения реакционной способности макромолекул и описания строения продуктов реакции.

Впервые разработана теория межцепного эффекта в макромолекулярных реакциях, что позволило изучать на количественном уровне реакции полимеров в расплавах, смесях, стеклообразном состоянии. Развивается теория реакций в смесях полимеров, при этом решаются сложные актуальные задачи описания изменения структуры смеси под совместным влиянием химических и физических факторов.

Так, например, впервые поставлена и решена проблема описания эволюции структуры смеси под влиянием макромолекулярной реакции и взаимодиффузии с учетом внутри- и межцепных эффектов.

Разрабатывается теория широко используемых в практике методов стабилизации структуры несовместимых смесей полимеров.

Исследовано влияние добавок диблоксополимера, препятствующего фазовому разделению, на фазовое равновесие в расплаве смеси несовместимых гомополимеров. Проанализирована зависимость размера частиц дисперсной фазы от строения диблоксополимера и состава смеси в равновесии. Результаты теоретических расчетов согласуются с опубликованными экспериментальными данными. Изучено влияние диблоксополимера на динамику роста полимерных частиц дисперсной фазы по механизму оствальдовского созревания.

Исследована конкуренция между реакцией образования диблоксополимера in situ и спинодальным распадом квази-однородной смеси и найдены условия подавления фазового разделения и стабилизации структуры смеси.

Параллельно разрабатывается теория реакции межцепного обмена в смесях полимеров, используемой как для стабилизации структуры смеси («реакционная компатибилизация»), так и для синтеза новых сополимеров. Впервые получено и решено аналитически уравнение, описывающее эволюцию ММР в смеси поликонденсационных полимеров. Исследована также эволюция строения цепи продуктов реакции – мультиблоксополимеров. Изучается конкуренция между фазовым разделением квази-однородной смеси и реакцией образования подавляющих разделение мультиблоксополимеров.

Исследуется механизм сложных практически важных процессов. Например, предложена новая теоретическая модель элекстростатического эффекта в реакциях ионогенных полимеров, с помощью которой удалось впервые количественно описать кинетику щелочного гидролиза полиакриламида.

Изучен щелочной гидролиз полиакрилонитрила, предложен механизм реакции и выданы рекомендации по оптимизации процесса производства суперабсорбента.

На основе комплексного изучения кинетики химической модификации декстрана, строения цепи модифицированного полимера и его антикоагулянтной активности предложен метод обнаружения корреляций между строением модифицированных полимеров и их биоспецифичностью (совместно с Университетом Пари-Нор, Франция).

В Лаборатории физико-химических исследований (зав. лаб. Е.М.Антипов, Ю.А.Махновский) изучаются особенности кинетики диффузионно-контролируемых реакций, связанные с участием в них макромолекул. В частности, исследуется влияние конформационных флуктуаций макромолекулы на доступность реакционных центров, вследствие чего ее реакционная способность флуктуирует со временем.

Исследуется влияние кластеризации частиц неподвижного реагента на кинетику захвата частиц подвижного реагента, что существенно для ряда процессов: захват активных частиц ловушками, прикрепленными к полимерным цепям, связывание лигандов рецепторами, находящимися на поверхности клеток, гибель возбуждений в радиационно-облученных материалах.

3. Физика и реология полимеров

В Лаборатории реологии полимеров (зав. лаб. В.Г.Куличихин) разрабатываются молекулярные и феноменологические подходы к описанию конформационных свойств сложных макромолекул (гибких, полугибких, жестких, гребнеобразных и т.п.) и их взаимодействия либо с окружением, либо с макромолекулами другого вида в равновесных условиях и в динамике. В лаборатории выполнены теоретические работы по электрофорезу ДНК, конформационной стабильности и динамике различных полимерных «щеток» в стесненной геометрии (А.В.Субботин), анизотропной вязкоупругости нематических полимеров (В.С.Волков), свойствам наночастиц глины, обработанных блок-сополимерами и распределенных в матричном полимере (С.В.Котомин) и др.

Экспериментальные методы лаборатории представлены набором прецизионных приборов для измерения вязкоупругих свойств полимеров в условиях непрерывного и осциллирующего сдвига, одноосного растяжения, течения сжатия и др. Эти методы дополняются измерением механических и релаксационных свойств твердых полимеров, ударной вязкости, термомеханики, дилатометрии при обычных и повышенных давлениях (P-V-T характеристики), оптических свойств полимеров, включая интерференционную микроскопию. Большинство реологических приборов было разработано с участием сотрудников лаборатории и произведено в СКБ ИНХС РАН. Ряд из них, например виброреометр, позволяющий измерять вязкоупругие характеристики в ортогональных направлениях, является единственным в мире.

Наиболее значительные работы лаборатории выполнены по всестороннему исследованию структуры и свойств линейных и гребнеобразных жидкокристаллических полимеров, применяемых в качестве конструкционных и функциональных полимеров, соответственно, смесей полимеров с различной степенью совместимости, эластомеров, адгезивов и гидроколлоидов медицинского назначения, композиционных материалов, полимеров, наполненных дисперсными частицами, включая наночастицы глины, и т.п.

Введение небольшого количества наночастиц (до 5%) позволяет существенно повысить упруго-прочностные свойства, термостабильность и теплостойкость, а также барьерные свойства полимеров. Разработка способов эффективного разделения микрочастиц глины на наночастицы включает предварительную интеркаляцию в структуру силикатов ПАВ и интенсивное сдвиговое воздействие в процессе перемешивания наполнителя с расплавом полимера. Таким образом, реологические воздействия являются определяющими как в плане проникновения макромолекул в межслоевые пространства силикатов, так и оценки прочности контакта модификаторов и матричного полимера с поверхностью наночастиц (В.Г.Куличихин, Е.М.Антипов).

4. Полимерные жидкие кристаллы и мезофазы

Ведущиеся в Институте исследования в области жидко-кристаллических (ЖК) полимеров связаны с созданием новых структурно-упорядоченных полимерных систем, изучением процессов их самоорганизации и функциональной активности.

В Лаборатории модификации полимеров (зав. лаб. Н.А. Платэ, Р.В. Тальрозе) на примере ЖК сеток продемонстрировано существенное взаимное влияние ЖК порядка и высокоэластичности. Установление основных механизмов переориентации ЖК директора в условиях высокоэластической деформации открывает пути к созданию систем с механически контролируемым распределением ориентации ЖК директора, перспективных в качестве сенсорных устройств и оптических элементов, а после химической модификации оптически активными добавками и в качестве новых пьезоэлектрических материалов.

Совместно с ИНЭП ХФ РАН получены композиционные сэндвичевые структуры в условиях постполимеризации мезогенных мономеров, Потенциал таких “композитов” для создания новых оптических материалов с учетом направленного регулирования химического строения и структуры прививаемого ЖК полимера поистине огромен.

Разработан феноменологический подход к описанию механизма возникновения мезоморфизма в линейных полимерах, макромолекулы которых не содержат мезогенных групп. Простейшие феноменологические соотношения позволяют осуществлять целенаправленный синтез мезофазных полимеров.

5. Химические сенсоры

Активно исследуются полимеры как чувствительные слои химических сенсоров (Н.А. Платэ, И.С.Калашникова). Проведен скрининг более чем 200 полимеров и создан уникальный банк данных по сорбционным свойствам тонких пленок высокомолекулярных соединений различной природы. Среди изученных полимеров большой интерес в качестве чувствительных слоев химических сенсоров представляют синтезированные в Институте Si-содержащие полимеры с мембранными свойствами и металлосодержащие полимеры. В результате проведенных исследований разработаны полимерные чувствительные слои химических сенсоров для определения концентрации в воздухе аммиака , диметилгидразина, ароматических и Cl- содержащих углеводородов, бензинов с пределом обнаружения не выше ПДК.

6. Химия медико-биологических полимеров

Предметом исследований в области химии медико-биологических полимеров являются синтетические вещества и материалы, предназначенные для контакта с тканями живого организма и обеспечивающие терапевтический эффект, качественно отличный от случая использования низкомолекулярных веществ или других традиционно применявшихся в прошлом веществ и материалов. Поэтому основная научная деятельность Института в этой области заключается в изучении фундаментальных основ взаимодействия живой и неживой материи и использовании обнаруженных закономерностей для решения конкретных задач медицины настоящего и ближайшего будущего. Эти проблемы решаются в тесном сотрудничестве с учеными и специалистами других научных учреждений: биологами, биохимиками, токсикологами, врачами-экспериментаторами и клиницистами.

а) Создание полимерных систем для направленного транспорта лекарственных препаратов
Предложен новый подход к решению проблемы направленного транспорта лекарственных препаратов белковой природы -- иммобилизация белков на водорастворимых полимерах с нижней критической температурой смешения (НКТС) вблизи 370С. При нагревании «больного» места в организме до температуры выше НКТС полимер выделяется в этом месте в отдельную фазу, концентрируя химически связанный с ним белок.
Для каждой конкретной системы «белок - полимер-носитель» существует узкий интервал состава, при котором система удовлетворяет требуемым структурно-функциональным свойствам: обладает достаточно высокой физиологической активностью и способна осуществлять транспортные функции.

б) Разработка макромолекулярных систем для контролируемого выделения белковых лекарственных препаратов
Сформулирована концепция создания модифицированных полимерных гидрогелей для контролируемого выделения лекарственных препаратов на основе белков и полипептидов при их пер оральном применении. Эта концепция заключается в физической иммобилизации полипептидного препарата в объеме полимерного гидрогеля, модифицированного смесью ингибиторов протеолитических ферментов и полисахаридов. Первый компонент предотвращает ферментативный гидролиз полипептидов, а второй компонент обеспечивает транспорт всей полимерной системы на стенки пищеварительного тракта, содержащие большое количество лектинов, избирательно взаимодействующих с полисахаридами.
Реализация предложенной концепции осуществлена на примере инсулина - полипептидного гормона, применяемого для лечения сахарного диабета. Проведены государственные испытания системы, подтвердившие ее эффективность и безопасность. Созданная система запатентована в России и в других промышленно развитых странах мира.

в) Моделирование и разработка макромолекулярных терапевтических систем, способных выделять заключенные в них физиологически активные вещества по механизму обратной связи (в ответ на изменение значения рН окружающей среды, ее температуры или химического состава)
Это одна из наиболее актуальных проблем современной химии медико-биологических полимеров. Создано устройство, обеспечивающее работу такой системы, которое состоит из гидрогеля, набухшего в растворе лекарственного вещества и заключенного в твердую оболочку с определенным количеством отверстий. Если при изменении внешних условий происходит разрушение гидрогеля или уменьшение его степени набухания, внутри устройства появляется раствор лекарства, который достаточно легко диффундирует через отверстия.
Примером такой системы является термочувствительный гидрогель на основе сшитого поли-N-изопропилакриламида, НКТС которого равна 320С, насыщенный жаропонижающем лекарством - парацетомолом. При повышении температуры окружающая среда сама инициирует выделение лекарства, а при «выздоровлении» температура понижается, и выделение лекарства прекращается.
По аналогичному механизму действует разработанная модель поджелудочной железы, одна из функций которой заключается в выделении инсулина в ответ на повышение в крови концентрации глюкозы. В качестве глюкозочувствительной полимерной системы использованы гидрогели, полученные взаимодействием сополимеров N-(2-D-глюкоз)акриламида (ГАА) и акриламида (АА) с конканавалином А (Кон А) - белком с молекулярной массой 102000, имеющим четыре центра связывания глюкозы. При концентрации глюкозы в среде, выше пороговой, комплекс Кон А-ГАА распадается с образованием комплекса Кон А-глюкозы и водорастворимых сополимеров ГАА с АА. Можно добиться контролируемого выделения определенного количества инсулина в ответ на определенный уровень глюкозы в окружающем растворе.

г) Создание биоадгезионных гидрогелевых материалов и аппликационных препаратов
фармацевтического назначения на их основе.
Впервые в мировой практике разработан метод молекулярного конструирования полимерных композиционных материалов с заданными адгезионными и транспортными свойствами. Этот метод рассматривает специфический баланс между повышенным свободным объемом и высокой энергией когезии полимера в качестве молекулярного критерия его адгезионного поведения. Посредством смешения ряда известных гидрофильных полимеров создан новый класс эластомеров, различающихся по степени гидрофильности, растворимости в воде, а также по влиянию степени набухания на адгезионные характеристики. Полученные материалы нашли применение в качестве диффузионных матриц для различных фармацевтических и косметических аппликационных препаратов, позволяющих вводить терапевтические агенты непосредственно в системное кровообращение через эпидермис кожи или слизистые оболочки полости рта пациента.

д) Создание новых типов лекарственных препаратов и материалов для протезирования
На основе овомукоида - белкового ингибитора протеиназ, создан водорастворимый антипротеиназный препарат (Овомин), который можно применять для лечения таких заболеваний, как перитонит, панкреатит, бронхиальная астма, сепсис и т.п. По сравнению с известными антипротеиназными препаратами на основе панкреатического ингибитора трипсина (Контрикал) Овомин в меньшей степени сорбируется почками, гораздо дольше функционирует в крови в активном состоянии и эффективен в отношении большего количества ферментов.
Разработан эффективный метод регулирования активности белковых препаратов путем их иммобилизации на различных полимерных носителях. Показано, что активность зависит от жесткости цепи полимера-носителя: более жесткие полимеры препятствуют ассоциации белков, и молекулы белка не «мешают» друг другу взаимодействовать с соответствующими субстратами.
Синтезирован макропористый гидрогель на основе полигидроксиэтилметакрилата с содержанием воды в набухшем состоянии 95% и выше. Гидрогель оказался чрезвычайно перспективным материалом для изготовления полимерных имплантатов. В частности, изготовлены эндопротезы для формирования опорной культи при удалении глаза. Эти эндопротезы имеют низкий уровень токсичности и иммуногенности, высокую биосовместимость, что в клинических условиях позволило осуществить подбор косметического протеза в более быстрые сроки и ускорить тем самым медицинскую, профессиональную и социальную реабилитацию пациентов.
Аналогичные гидрогели были использованы в качестве покрытий на раны и ожоги. Эти покрытия защищали рану от проникновения инфекции извне, эффективно поглощали выделяющийся экссудат и в ряде случаев обладали высокими лечебными свойствами.

е) Нетоксичные иммуностимулирующие полимерные носители (Л.Л. Стоцкая)
Предложены оригинальные подходы к созданию малотоксичных высокоэффектив-ных противоопухолевых и противовирусных препаратов нового поколения путем химической модификации известных клинических препаратов и включения их в специальные нетоксичные полимерные системы на основе сополимеров малеинового ангидрида.
При оптимальной химической “архитектуре” препараты синергически усиливают целевое химиотерапевтическое действие; снимают острую токсичность, кардио- и нефротоксичность, а также за счет иммуностимулирующих свойств полимерной матрицы компенсируют иммунодепрессивное действие, характерное для большинства противоопухолевых и противирусных лекарственных препаратов;
Синтезированы конъюгаты сополимера дивинилового эфира и малеинового ангидрида с противоопухолевым антибиотиком антрациклинового ряда - рубомицином, проявляющие более высокую ( в 4-5 раз) цитотоксическую активность и более низкую токсичность (почти на 2 порядка), по сравнению со свободным антибиотиком. Установлена значительная активность конъюгатов в отношении плотных опухолей-меланомы В16 и карциномы легкого Льюиса.

ж) Полимерные мембранотропные лекарственные препараты
Впервые осуществлена химическая модификация сополимеров малеинового ангидрида c аминопроизводными адамантана.и изучено влияние полимерных производных адамантана на мембранный транспорт ионов. На основе полученных биоэлектрических характеристик объяснено токсическое действие ремантадина и причина малой токсичности его полимерных аналогов.

з) Полимеры биоцидного действия (Д.А. Топчиев, П.А. Гембицкий)
Поликонденсацией ряда диаминов с солями гуанидина получены соли полиалкилен-гуанидинов - катионных полиэлектролитов, обладающих высокой биоцидной активностью.
Методом радикальной сополимеризации получены сополимеры диаллилгуанидина с N,N-диаллил- N,N-диметиламмонийхлоридом (ДАДМАХ), обладающие еще более высокой биоцидной активностью, чем полиалкиленгуанидины.

и) Антимутагенные системы. (Д.А.Топчиев, В.А. Александрова)
С учетом закономерностей, выявленных на моделях — синтетических поликатионах ряда поли-ДАДМАХ, осуществлен макромолекулярный дизайн эффективной антимутагенной системы с использованием в качестве матрицы нетоксичного и биодеградируемого поликатиона – хитозана.
Полимерные антиоксиданты – производные хитозана, являются значительно более эффективными ингибиторами окисления, чем их низкомолекулярные аналоги и могут использоваться для предотвращения окисления пищевых продуктов и в качестве основы при создании лекарственных средств для защиты организма человека от ионизирующих излучений.

к) Полимерные рН-трансдъюсеры (Г.П. Карпачева)
Получены высокопроводящие растворимые полимеры анилина, оказавшиеся высокоэффективными рН-трансдъюсерами потенциометрических биосенсоров. Созданы модельные образцы высокочувствительных биосенсоров для анализа глюкозы и мочевины, пригодные для анализа реальных объектов.