Новости химической науки > Полимер-ершик имитирует природную смазку суставов

Обычно каждый искусственный имплантированный протез сустава требует замены через десять лет работы. Это связано с тем, что без хорошей смазки протезы суставных сочленений со временем изнашиваются.

Для того чтобы дать возможность пациентам с искусственными суставами не ложиться под нож хирурга каждое десятилетие, исследователи получили более эффективный водорастворимый смазочный материал – они синтезировали полимер, подобный по строению и свойствам белку любрицину (lubricin), встречающемуся в синовиальной жидкости – естественной смазке наших суставов.

Как отмечает Ксавьер Банкуи (Xavier Banquy) из Университета Монреаля, ключом к смазочным свойствам любрицина является строение этого белка. В структуре цепи протеина имеется два концевых домена, которые обеспечивают взаимодействие со смазываемой поверхностью, а плотная, но при этом пружинистая область белка посередине его цепи имеет форму, сходную с формой ершика для мытья бутылок. Таким образом, при близком подходе друг к другу двух поверхностей, покрытых любрицином, они не соприкасаются – происходит контакт доменов, напоминающих строение ершика, и они, пружиня, компенсируют приложенное давление. Структура, напоминающая ершик, также позволяет еще одному хорошему смазочному материалу – воде двигаться сквозь белок при быстром движении двух поверхностей друг относительно друга. Таким образом любрицин в состоянии обеспечивать хорошую смазку, независимо от того, какое давление приложено к суставам и с какой скоростью суставные сочленения перемещаются друг относительно друга.

Рисунок из J. Am. Chem. Soc. 2014, DOI: 10.1021/ja501770y

Работая в Университете Калифорнии (Санта Барбара), Банкуи с соавторами получил синтетический полимер, имитирующий строение любрицина. Полученный материал представляет собой полиметилметакрилатную основу, «продетую» сквозь подобие ершика для бутылок и два концевых домена. Блок полимера, близкий по структуре ершику, содержит цепи поли-2метакрилоилоксиэтилфосфорилхолина, цвиттер-ионного полимера. Эти щетинки «полимерного ершика» были синтезированы с помощью полимеризации радикального переноса. Полярная природа цвиттер-ионных боковых цепей позволяет им удерживать большое количество воды. Две концевые группы полимерной цепи модифицированы положительно заряженными аммонийными фрагментами, которые могли прочно связываться со слюдой, которая использовалась исследователями в качестве модели для проверки смазочных свойств нового полимера. Как отмечает Банкуи, для того, чтобы связать полимер с какими-то определенными типами поверхностей всегда без проблем можно заменить аммонийные группы на другие молекулярные фрагменты.

Для проверки смазочного материала исследователи поместили полимер между двумя пластинками слюды и измерили коэффициент трения полимера. К приятному удивлению было обнаружено, что для многих скоростей скольжения и приложенных давлений синтезированный полимер является смазкой даже более эффективной, чем его природный прототип – любрицин.

Майкл Килби (Michael Kilbey), специалист по химии материалов из Университета Теннесси (Кноксвиль) подчеркивает, что применение полимерных щеток в качестве смазочных материалов является новой и весьма продуктивной идеей. Он добавляет, что плотность полимерной щетки позволяет смазочному материалу выдерживать значительное сжатие, что позволит использовать такую смазку при значительных нагрузках на движущие поверхности.

В настоящее время исследователи из группы Банкуи начали работу над созданием маслосовместимых ершикоподобных смазочных материалов, которые будут более полезны для применения в промышленности.

Источник: J. Am. Chem. Soc. 2014, DOI: 10.1021/ja501770y

метки статьи: #биохимия, #медицинская химия, #химия полимеров