მაღალი მექანიკური სიმტკიცის, პოლიესტერშარდოვანების კლასის ფსევდოპროტეინების სინთეზი და კვლევა

პოლიმერულმა მასალებმა შეაღწიეს ადამიანის ცხოვრებისა და საქმიანობის პრაქტიკულად ყველა სფეროში. დღეს ამ „კეთილი“ მასალების მდგრადობა ქიმიური თუ ბიოლოგიური დაშლის (დეგრადაციის) მიმართ, განიხილება სერიოზულ საფრთხედ გარემოსათვის. მდგრადი პოლიმერული ნარჩენები მიუღებელი ხდება ეკოლოგიური თვალსაზრისით. ამიტომ განვითარების თანამედროვე ეტაპზე, პოლიმერების ქიმიისა და ტექნოლოგიისათვის მნიშვნელოვან გამოწვევად იქცა ისეთი მასალების შექმნა, რომლებიც დეგრადირდებიან და „გაქრებიან“ დაკისრებული ფუნქციის შესრულების შემდეგ, იქნება ეს მედიცინა, ინჟინერია თუ ადამიანის საქმიანობის სხვა სფერო. დღეისათვის შექმნილია და უკვე კომერციულადაც წარმატებულია არაერთი ბიოდეგრადირებადი პოლიმერი (ბპ), რომელთა უმეტესობა განეუთვნება პოლიესტერულ კლასს. ბპ-ის შედარებით ახალი წარმომადგენლებია პოლიმერები ბუნებრივი α-ამინომჟავების საფუძველზე, ე.წ. ბიომიმეტიკური პოლიმერები – ცილების სინთეზური ანალოგები. ბიომიმეტიკების ერთ-ერთი პერსპექტული ოჯახია ფსევდოპროტეინები (PP).

PP მიიღება საკვანძო მონომერების – დიამინო-დიესტერების (DADE) პოლიკონდენსაციით სხვადასხვა ბის-ელექტროფილთან. სინთეზის სიმარტივე, α-ამინომჟავების და დიოლების მრავალეროვნება, ხელმისაწვდომობა და სიიაფე, DADE-ს მაღალი გამოსავლები (90-95%), გასუფთავება წყლიდან გადაკრისტალებით, ეკოლოგიურად არასასურველი ტოქსიკური ნარჩენების არარსებობა, განაპირობებს DADE-ს სიიაფეს და მიღების მაღალტექნოლოგიურობას. ეს, თავის მხრივ, განაპირობებს ფსევდოპროტეინების დაბალ ფასსა და ფართო ასორტიმენტს, მათ პერსპექტულობას როგორც სამედიცინო, ასევე საინჟინრო საქმეში გამოყენებისთვის. უკანასკნელი სფეროსთვის განსაკუთრებით პერსპექტულია პოლიესტერშარდოვანული კლასის ფსევდოპროტეინები – PP-PEU. აღნიშნული კლასის ბიომიმეტიკები პირველად მიღებულია პროფ. რ.ქაცარავასა და თანამშრომლების მიერ და დაცულია აშშ პატენტით. დღეს PP-PEU-ები წარმოადგენენ ყველაზე მტკიცე (მაღალმოდულიან) ბდ პოლიმერებს – იუნგის მოდული E=6.0±1.1 GPa. მაღალმოდულიანი PP-PEU პერსპექტულია ასევე ეკოლოგიურად მეგობრული (eco-friendly), საინჟინრო დანიშნულების ბდ კომპოზიტების მისაღებად რაც წარმოადგენს ჩვენი კვლევის საგანს. პროექტი მოიცავს ხისტი, ციკლური დიოლების საფუძველზე ახალი, საკვანძო მონომერების – დიამინო-დიესტერების (DADE) სინთეზს მათი უშუალო თერმული კონდენსაციით α-ამინომჟავებთან მდუღარე ორგანული გამხსნელის არეში პ-ტოლუოლსულფომჟავას თანაობისას. ესტერული ბმების შემცველობა DADE-ს მოლეკულაში განაპირობებს მათ საფუძველზე მიღებული პოლიმერების ბიოდეგრადაციის უნარს.

პროექტის სამეცნიერო ღირებულებაა ახალი, ჯერ არ აღწერილი, ხისტი მოლეკულური ჩონჩხის მქონე DADE მონომერების და მათ საფუძველზე ახალი PP-PEU-ის სინთეზი. დიდი ალბათობით შეიძლება ვივარაუდოთ, რომ ახალი DADE მონომერების სფუძველზე არა მარტო PEU-ს (რომლებიც ჩვენი კვლევის ობიექტს წარმოადგენენ), არამედ სხვა კლასის PP-ებსაც (როგორებიცაა PEA და PEUR) ექნებათ გამოყენების მაღალი პოტენციალი მედიცინასა და ვეტერინარიაში, სოფლის მეურნეობასა და კვების მრეწველობაში, შესაფუთი, საინჟინრო და სხვა ეკომეგობრული მასალების სახით. შევნიშნავთ, რომ ასეთი მასალები მსოფლიო ბაზარი წრაფად, წელიწადში 20-25%-ით, იზრდება.

პროექტის მიმდინარეობის ამ ეტაპზე, მიღებულია ჯამში 12 ახალი სტრუქტურის ნივთიერება, მათ შორის 6 მონომერი, 6 პოლიმერი. მათგან ერთ-ერთმა (PEU L-CHDM) გამოავლინა სიმტკიცის რეკორდული მაჩვენებელი მსგავსი ტიპის პოლიმერებს შორის და დამატებითი კვლევები გრძელდება.

გრანტის ფარგლებში 3 სტატიაა გამოქვეყნებული.

რეკომენდაციები

1.მიღებულია მოდიფიცირებული ეკო-მეგობრული პოლიმერული კომპოზიტისათვის მატრიცა შემცველობით – 2% PEU 98% PE.

2.დამუშავებულია ბიოდეგრადირებადი მატრიცის დამზადების ტექნოლოგია, რომელიც სწრაფი მარტივი და მოსახერხებელია მრავალი ტიპის ნაკეთობის დამზადებისთვის.

3.შესწავლილია ბიოდეგრადირებადი კომპონენტის – PEU-ს გავლენა არადეგრადირებად PE-ს ფისოვან მატრიცაზე. PEU-ს კონცენტრაციის მატება პოლიმერულ მატრიცაში იწვევს ნაკეთობის ბიოდეგრადაციის მაჩვენებლის გაზრდას, რაც მიანიშნებს, რომ პირველი დაშლის პროცესს ჰიბრიდულ პოლიმერულ მატრიცაში განიცდის PEU. ბიოდეგრადაცია შესწავლილ იქნა სხვადასხვა პროცენტული შემცველობის პოლიმერული ნიმუშებისთვის წყალხსნარში, სოკოს კომპოსტსა და ნიადაგის მოდელში.

4.პოლმერული ნიმუშების ბიოდეგრადაციის გაცილებით უფრო ზუსტი შედეგები მიღებულ იქნა TOC ანალიზის მეშვეობით. ამ დროს შევისწავლეთ პოლიმერის დეგრადაციის შედეგად გამოთავისუფლებული ორგანული ნახშირბადის რაოდენობა. ანალიზებმა დაადასტურა გრავიმეტრული ანალიზის შედეგები. როგორც ზევით აღვნიშნე, დეგრადაციას პირველ რიგში განიცდის PEU. პროცესის ინტენსივობიდან (ნაკეთობის დეგრადაცია) და საცდელი პოლიმერული ნიმუშების ფორიანობიდან გამომდინარე (სულ დამზადდა 5 ტიპის ნიმუში პოლიმერების სხვადასხვა კონცენტრაციით) 2% PEU-ს წილი ჰიბრიდულ პოლიმერულ მატრიცაში, სრულიად საკმარისად მივიჩნიეთ. მიღებული ეკომეგობრული პოლიმერული მატრიცა გადაეცა სსიპ გრიგოლ წულუკიძის სამთოინსტიტუტის, პოლიმერული კომპოზიტების და მაღალტექნოლოგიური მასალების ლაბორატორიას კომპოზიტების დასამზადებლად და მომავალში ფართომასშტაბიანი კვლევებისთვის.

5.ათვისებულ იქნა მონომერებისა და პოლიმერების სინთეზის მეთოდები, რომელთა გამოყენებითაც სამი, ხისტი ციკლური დიოლისა და ორი ამინომჟავას საფუძველზე დავასინთეზეთ 6 ახალი მონომერი. ამ მიზნით შეირჩა მაღალი სისუფთავის დიოლები და ამინომჟავები (1,4-ციკლოჰექსანდიოლი (CHD), 1,4-ციკლოჰექსანდიმეთანოლი (CHDM) და 1,4:3,6-დიანჰიდრო-D-სორბიტოლი (DAS), ლეიცინი და ფენილალანინი. ყველა მათგანი მოწოდებულია Sigma-Aldrich-დან).

6.დასინთეზირებული თითოეული მონომერისათვის შევისწავლეთ სტრუქტურა და ძირითადი მახასიათებლები; (IR-სპექტრები გადავიღეთ კალიუმის ბრომიდში, NMR-სპექტრები დეიტერირებულ დიმეთილსულფოქსიდის (DMSO-d6) ხსნარებში, ლღობის ტემპერატურები განისაზღვრა კაპილარული მეთოდით);

7.PASS-ის პროგრამის მეშვეობით შევისწავლეთ მიღებული თითოეული მონომერის სავარაუდო ბიოლოგიური აქტიურობა. მათ უმრავლესობას, მაღალი პროცენტული ალბათობით, შეუძლია გარკვეული პროცესების ინჰიბირება.

8.მიღებული მონომერების საფუძველზე დასინთეზდა 6 ახალი სტრუქტურის პოლიმერი- PEU;

9.შესწავლილია მიღებული პოლიმერების მოლეკულურ-მასური მახასიათებლები გელ-ქლომატოგრაფიული მეთოდით დიმეთილფორმამიდში;

10.ნაჩვენებია რომ ყველა მიღებული პოლიმერი ხასიათდება აბსკწარმომქმნელი უნარით; აბსკების საფუძველზე შესწავლილია მექანიკური მახასიათებლები (იუნგის მოდული);

11.მიღებულია PEU, რომლის იუნგის მოდული (9.15 GPA) მნიშვნელოვნად აღემატება, ადრე, 1,6-ჰექსანდიოლის საფუძველზე მიღებული პოლიმერის მახასიათებელს;

12.შესწავლილია პოლიმერის ბიოდეგრადაციის პროდუქტების მწვავე ტოქსიკურობა ვირთაგვებში GUSAR-ის პროგრამით;

13.ახლად სინთეზირებულ პოლიმერებს შორის მახასიათებლებით, ფასითა და ტოქსიკურობის მაჩვენებლით გამოირჩევა PEU L-CHDM, რომლის გამოყენების შესაძლო არეალია ინჟინერია და სამედიცინო სფერო (ძვლის ქირურგია).