Химики из университетов Луизианны и Шеффилда разработали систему, способную превращаться в гель и обратно с заданной скоростью и через заранее определенный промежуток времени. В ее основе лежит ферментативная реакция разложения мочевины, выполняющая роль химических часов. Исследование опубликовано в журнале Angewandte Chemie International Edition, кратко о нем сообщает пресс-релиз Университета Луизианы.

Предложенная авторами смесь состоит из четырех компонентов, два из которых формируют основу будущего геля, а еще два — определяют момент превращения жидкости. В роли последней системы-таймера химики предложили использовать реакцию разложения мочевины на аммиак и углекислый газ, катализируемую ферментом уреазой. В процессе этой реакции происходит плавное уменьшение кислотности среды — аммиак, обладая высокой основностью, постепенно смещает pH в сторону щелочного. 

Реакции, протекающие в системе. Изображение: Elizabeth Jee et al. / Angewandte Chemie International Edition, 2016

Химические реакции протекающие в смеси и зависимости их скоростей от кислотности среды, а также pH от времени протекания реакции с мочевиной. Изображение: Elizabeth Jee et al. / Angewandte Chemie International Edition, 2016

Вещества, образующие гелевую составляющую относятся к высокомолекулярным полиэфирам. Их длинные молекулы содержат на своих концах специальные группы, способные взаимодействовать друг с другом (меркапто-группы в одном случае и акрилатные в другом). Однако, эта реакция протекает быстрее всего в щелочной среде, поэтому интенсивное гелеобразование начинается только лишь спустя некоторое время с момента запуска химических часов, когда уреаза образует достаточное количество аммиака.

Авторам удалось показать, что старт гелеобразования может быть отложен на несколько минут или часов. Кроме того, реакция уреазы с мочевиной самоускоряется уменьшением кислотности среды. Поэтому, если инициировать реакцию гелеобразования в объеме с помощью внесения щелочи извне, то можно пронаблюдать фронт гелеобразования, движущийся со скоростью около десятой доли миллиметра в минуту. Скорость же обратного превращения из геля в жидкость напрямую зависит от исходных концентраций мочевины и гелевых компонентов. Она варьируется в пределах от пяти часов до месяцев.

Процесс превращения жидкость — гель и обратно (сверху). Зависимость эластичности смеси от времени и исходных концентрация (снизу слева). Зависимость времени перехода гель — жидкость от начальных концентраций. Изображение: Elizabeth Jee et al. / Angewandte Chemie International Edition, 2016

Химики отмечают, что созданная ими система может найти применение в медицине в качестве адгезива (клейкой субстанции), со строго определенным сроком жизни. Также ее аналоги могут быть использованы как оболочки для транспортировки лекарственных средств — биосовместимые и разлагающиеся строго в заданный момент времени.

Автор: Владимир Королёв