Кафедра высокомолекулярных соединений

Химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова

Лаборатории

История

Учебные дела

Научно-популярные статьи

Конференции

Контакты

Лаборатория функциональных полимеров и полимерных материалов

Лаборатория функциональных полимеров и полимерных материалов

История создания лаборатории:

Лаборатория функциональный полимеров и полимерных материалов (до 2005 гг. – лаборатория полимеров для медицины и биотехнологии) была создана в 1994 г. В то время под руководством заведующего кафедрой академика В.А. Кабанова проводились интенсивные исследования влияния синтетических полимеров на иммунный ответ и фармакологические свойства лекарств. Заведующим лабораторией стал заслуженный деятель науки, профессор, д.х.н., лауреат Ленинской и Государственной премии, а также премии РАН им. В.А. Каргина, Сергей Алексеевич Аржаков. Лаборатория была создана для изучения механизмов воздействия полимеров на биологическую активность лекарственных препаратов. Для решения этой проблемы были развернуты исследования закономерностей взаимодействия синтетических водорастворимых полимеров с модельными липидными мембранами и мембранами живых клеток.
В период с 1994 по 2008 г.г. велись исследования по воздействию плюроников (блок-сополимеров этиленоксида и пропиленоксида) на липидные мембраны. Была обнаружена способность плюроников вызывать повышение трансмембранной подвижности липидов в модельных и клеточных мембранах, изменение толщины мембран, повышать их проницаемость, которое определялось составом липидных мембран. Были исследованы закономерности влияния поликатионов различной природы на транспорт противоопухолевого антибиотика доксорубицина через липидный бислой. Было установлено, что формирование кластеров анионных липидов в липосомальных мембранах способствует ускорению транспорта доскорубицина. Была обнаружена способность слабых полианионов, например, полиакриловой кислоты, связываться с фосфатидилхолиновой бислойной мембраной в слабокислой среде.
В 2001 году в лаборатории появляется оборудование для работы с культурами клеток. Были налажены методы культивирования клеток, освобождения их от микоплазмы, определения цитотоксичности полимеров, их влияния на лекарственную устойчивость раковых клеток. Были поставлены методы флуоресцентной микроскопии, позволяющей исследовать локализацию лекарств внутри клеток, а также метод тритиевой авторадиографии, позволяющей исследовать локализацию [3H]-меченых полимеров с помощью световой фазово-контрастной микроскопии. В это время разворачиваются интенсивные исследования влияния структуры полимеров на их способность подавлять лекарственную устойчивость клеток. Было обнаружено, что многие плюроники, сополимеры этиленоксида и диметилсилоксана, сверхразветвленные блок-сополимеры полиглицерина и полипропиленоксида способствуют накоплению антибиотика в раковых клетках, проявляющих устойчивость к действию лекарств.
В 2008 году заведующим лабораторией становится в.н.с., д.х.н. Геннадий Максимович Луковкин. В это время в лаборатории разворачиваются исследования, направленные на исследование физико-механики полимерных стекол. В лаборатории возникает две группы – функциональных полимеров и полимерных материалов.
Группа полимерных материалов занимается поиском универсальных критериев и соотношений, описывающих физико-механику полимерных стекол. Для этого исследуется взаимосвязь между уровнями структурной неоднородности полимерных тел и их поведением при механических и иных воздействиях. Разрабатываются научно-технологические принципы создания конструкционных и функциональных материалов нового поколения. Полученные закономерности легли в основу алгоритмов компьютерных испытаний и прогноза прочностной устойчивости физико-механических свойств материала в условиях эксплуатации. На основе разработанных алгоритмов была создана расчетная задача для практикума по физико-механике полимеров. Полученные обобщенные универсальные соотношения и зависимости привели к новой постановке вопроса о структуре полимерного стекла как спектра перколированных микрообластей, характеризующихся собственной микромеханикой. Для описания такой структуры разработан метод «Структурно-деформационной спектроскопии».
Группа функциональных полимеров занимается исследованием влияния амфифильных полимеров на фотохимические свойства порфиринов и хлоринов. Было показано, что тетрафенилпорфирин, димегин и хлорин е6 формируют комплексы с амфифильными полимерами в водных растворах. Это сопровождается дезагрегацией порфиринов, что увеличивает их коэффициент экстинкции и улучшает фотокаталитические свойства. В это же время продолжаются исследования влияния архитектуры амфифильных сополимеров на их способность подавлять лекарственную устойчивость раковых клеток.
С 2015 года и по настоящее время руководителем лаборатории является в.н.с., д.х.н. Н.С. Мелик-Нубаров.

Основные направления научных исследований и структура лаборатории:

Группа функциональных полимеров в.н.с. д.х.н., Мелик-Нубаров Н.С., д.б.н. в.н.с. Гроздова И.Д.

Направление 1: Изучение взаимодействия незаряженных амфифильных полимеров с раковыми клетками

Незаряженные амфифильные полимеры широко используются в медицине и фармакологии. Одна из важнейших и бурно развивающихся областей их применения – доставка лекарственных веществ к пораженным клеткам. Однако амфифильные полимеры не являются инертными по отношению к клеткам. Они способны встраиваться в биологические мембраны, вызывая нарушение их структуры. Показано, что в результате взаимодействия амфифильных полимеров с клетками может наблюдаться подавление устойчивости клеток к лекарству, цитотоксичность, повышение жизнеспособности клеток. Подавление лекарственной устойчивости клеток определяется длиной и природой гидрофобного блока, повышение жизнеспособности клеток является функцией длины гидрофильного полиэтиленоксидного блока, а цитотоксичность полимера определяется соотношением длины гидрофобного и гидрофильного блока. Существенно, что в исследованных рядах блок-сополимеров токсичность проявляется при концентрациях, значительно превышающих критическую концентрацию мицеллообразования. что указывает на то, что именно ассоциаты полимерных ПАВ ответственны за проявление токсических эффектов.

 

 

Сравнительное изучение связывания полимеров с клетками и липосомальными мембранами выявило принципиальные отличия в поведении этих систем. Оказалось, что с ростом длины полиэтиленоксидного блока в рядах плюроников связывание с липидными мембранами уменьшается, что хорошо согласуется с известными представлениями о термодинамике взаимодействия полимерных ПАВ с гидрофобными поверхностями. В то же время при увеличении длины блока ПЭГ существенно увеличивается способность полимера связываться с клетками.

Этот результат указывает на взаимодействие блоков ПЭГа с гидрофильным слоем полисахаридов, содержащихся на поверхности клеток. Этот слой, называемый гликокаликсом (от греческого γλυκύς - сладкая оболочка и латинского Callum – толстая кожа), состоит из олигосахаридных цепей гликопротеидов и пептидогликанов, а также длинных цепей гиалуроновых кислот, выстилающих поверхность большинства животных клеток. В настоящее время в лаборатории исследуется возможность взаимодействия полиэтиленоксидов с гликокаликсом и исследуется влияние структуры амфифильного сополимера на его связывание с различными областями клеточной мембраны.
Направление 2: Синтез полимеров для доставки нуклеиновых кислот в живые клетки
Введение генетического материала (нуклеиновых кислот, кодирующих белковые молекулы или содержащих регуляторные последовательности) в живые клетки (трансфекция) могло бы открыть новую страницу в терапии целого ряда генетических заболеваний, рака и многих неизлечимых вирусных инфекций. Между тем доставка нуклеиновых кислот в живые клетки сопряжена со значительными трудностями, связанными с тем, что клеточные мембраны несут избыточный отрицательный заряд. Поэтому нуклеиновые кислоты, которые также заряжены отрицательно, не могут проходить в клетки. Получение полиэлектролитных комплексов нуклеиновых кислот с поликатионами позволяет увеличить захват ДНК или РНК в клетки, однако не всегда решает проблему полностью. Это связано с тем, что при попадании в клетку комплекс нуклеиновой кислоты с полимерным носителем попадает в эндосомы, и затем переходит в лизосомы, где расщепляется гидролитическими ферментами.
Коллективом лаборатории предложен ряд подходов, позволяющих стимулировать трансфекцию клеток за счет придания полимерному носителю способности разрушать эндосомы:
1) включение в состав катионного сополимера-носителя гидрофобных фрагментов полипропиленоксида, способного возмущать структуру липидного бислоя и тем самым способствовать выходу комплексов из эндосом;

2) создание полимерных наногелей на основе слабого полиамина, проявляющего буферные свойства в слабокислой среде эндосом.

Направление 3: Полимеры в фотодинамической терапии

Фотодинамическая терапия (ФДТ) – это способ лечения поверхностных и полостных опухолей и раневых инфекций, основанный на одновременном воздействии на пораженные клетки трех компонентов – света, кислорода и вещества, называемого фотосенсибилизатором. В начале 1970-х г.г. было обнаружено, что некоторые порфирины способны избирательно накапливаться в раковых опухолях. Это дает возможность уничтожать опухолевые клетки облучением света. Большое преимущество данного подхода по сравнению с классической химиотерапией и лучевой терапией состоит в существенно менее тяжелых побочных эффектах. Однако и данный метод не свободен от существенных недостатков. Во-первых, веденный в кровоток порфирин довольно медленно выводится из организма. Это приводит к повышенной чувствительности пациентов к свету. Во-вторых, ткани организма мало прозрачны. Поэтому ФДТ применима лишь для поверхностных или полостных опухолей. Известно, что раковые клетки продуцируют повышенное количество перекиси водорода. Это свойство можно использовать для того, чтобы выявлять и/или уничтожать опухоли. Для реализации этой идеи нами был получен полимерный оксалат. Были получены нанореакторы, в которых полиоксалат и тетраметилгематопорфирин находились в каплях эмульсии диметилфталата в воде, стабилизированных плюроником L64.  Добавление к таким нанореакторам пероксида водорода приводит к генерации хемилюминесценции. В лаборатории было показано, что такие частицы способны генерировать синглетный кислород (1О2) в результате реакции с пероксидом водорода. Это означает, что фотокаталитические процессы могут происходить без внешнего источника света, а за счет хемилюминесценции, генерируемой in situ.

Список основных публикаций группы:
(1)      Yaroslavov A.A., Efimova A.A., Rudenskaya G.N., Melik-Nubarov N.S., Grozdova I.D., Ezhov A.A., Chvalun S.N., Kulebyakina A.I., Razuvaeva E.V. An electrostatic conjugate composed of liposomes, polylysine and a polylactide micelle: a biodegradability–cytotoxicity relationship Mendeleev Com. 2017, 27, 299-301.
(2)      Grozdova  I.D., Badun G.A., Chernysheva M.G., Orlov V.N., Romanyuk A.V., Melik-Nubarov N.S. Increase in the length of poly(ethylene oxide) blocks in amphiphilic copolymers facilitates their cellular uptake. J. Appl. Polymer Sci. 2017, 134, 45492.
(3)      Melik-Nubarov N.S., Grozdova I.D., Lomakina G.Y., Pokrovskaya M.V., Pokrovski V.S., Aleksandrova S.S., Abakumova O.Y., Podobed O.V., Grishin D.V.,Sokolov N.N. PEGylated recombinant L-asparaginase from Erwinia carotovora: Production, properties and potential applications. Appl. Biochem. Microbiol. 2017, 53, 165-172.
(4)      Romanyuk A.V., Grozdova I.D., Ezhov A.A., Melik-Nubarov N.S. Peroxyoxalate Chemiluminescent Reaction as a Tool for Elimination of Tumour Cells Under Oxidative Stress. Sci. Rep. 2017,  7,  3410-1-3410-13.
(5)      Chernysheva M.G., Melik-Nubarov N.S., Grozdova I.D., Myasnikov I.Yu., Tashlitsky V.N., Badun G.A. Reduction of cytotoxicity of Myramistin by adsorption on nanodiamonds. Mend. Com. 2017, 27, 421-423.
(6)      Yaroslavov A.A., Sitnikova T.A., Rakhnyanskaya A.A., Yaroslavova E.G., Sybachin A.V., Melik-Nubarov N.S., Khomutov G.B. Variable and low-toxic polyampholytes: complexation with biological membranesColloid Polymer Sci. 2017, 295,  1405-1417.
(7)      Izumrudov V.A., Zhiryakova M.V., Melik-Nubarov N.S. Supercharged Pyridinium Polycations and Polyelectrolyte Complexes. Eur. Polym. J. 2015, 69, 121–131.
(8)      Maximova E.D., Falzuloev E.B., Nikonova A.A., Kotova S.L., Solov’eva A.B., Izumrudov V.A., Litmanovich E.A., Kudryashova E.V., Melik-Nubarov N.S. Cross-Linking as a Tool for Enhancement of Transfection Efficiency of Cationic Vectors. Eur. Polym. J. 2015, 69, 110–120.
(9)      Maximova E.D., Zhiryakova M.V., Faizuloev E.B., Nikonova A.A., Ezhov A.A., Izumrudov V.A., Orlov V.N., Grozdova I.D., Melik-Nubarov N.S. Cationic Nanogels as Trojan Carriers for Disruption of Endosomes. Colloids Surfaces B Biointerfaces 2015, 136, 981–988.
(10)    Sokolov N.N., Eldarov M.A., Pokrovskaya M.V., Aleksandrova S.S., Abakumova O.Y., Podobed O.V., Melik-Nubarov N.S., Kudryashova E.V, Grishin D.V., Archakov A.I. Bacterial Recombinant L-Asparaginases: Properties, Structure, and Anti-Proliferative Activity. Biochem. Suppl. Ser. B Biomed. Chem. 2015, 9 (4), 325–338.
(11)    Romanyuk A.V., Melik-Nubarov N.S. Micelles of Amphiphilic Copolymers as a Medium for Peroxyoxalate Chemiluminescent Reaction in Water Environment. Polym. Sci. Ser. B 2015, 57 (4), 360–369.
(12)   Demina T.V., Budkina O.A., Badun G.A., Melik-Nubarov N.S., Frey H., Mu S.S., Nieberle J., Grozdova I.D. Cytotoxicity and Chemosensitizing Activity of Amphiphilic Poly(glycerol) − Poly(alkylene Oxide) Block Copolymers. Biomacromolecules 2014, 15, 2672−2681.
(13)    Tsvetkov V.B., Solov’eva A.B., Melik-Nubarov N.S. Computer Modeling of the Complexes of Chlorin e6 with Amphiphilic Polymers. Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16 (22), 10903–10913.
(14)    Yaroslavov A.A., Sybachin A.V., Zaborova O.V., Pergushov D.V., Zezin A.B., Melik-Nubarov N.S., Plamper F.A., Mueller A.H.E., Menger F.M. Electrostatically Driven Complexation of Liposomes with a Star-Shaped Polyelectrolyte to Low-Toxicity Multi-Liposomal Assemblies. Macromol. Biosci. 2014, 14 (4), 491–495.
(15)    Zhiyentayev T.M., Boltaev U.T., Solov’eva A.B., Aksenova N.A., Glagolev N.N., Chernjak A.V., Melik-Nubarov N.S. Complexes of Chlorin e6 with Pluronics and Polyvinylpyrrolidone: Structure and Photodynamic Activity in Cell Culture. Photochem. Photobiol. 2014, 90 (1), 171–182.
Патенты

    • Соловьева А.Б., Иванов А.В., Конопляников А.Г., Филинова Е.Ю., Глаголев Н.Н., Мелик-Нубаров Н.С., Пономарев Г.В., Жиентаев Т.М., Кирюхин Ю.И., Поляков Д.К., Роговина С.З. / Средство для лечения злокачественных опухолей методом фотодинамической терапии. // Патент РФ № 2314806.
    • Абакумова О.Ю., Богуш В.Г., Бочкова О.П., Гроздова И.Д., Денисов Л.А., Карасев В.С., Колтун И.О., Мелик-Нубаров Н.С., Морозова Е.Л., Подобед О.В., Руденко Е.Г., Сидорук К.В., Скатова Г.Е., Соколов Н.Н., Чугунов А.М. Способ получения рекомбинантной субстанции L-аспарагиназы Erwinia Carotovora. Номер патента: RU 02441914 C1.

Группа полимерных материалов

проф., д.х.н. Аржаков М.С.,          доц., к.х.н. Жирнов А.Е.

                                  
Направление 1: Физико-механика полимерных стекол

Основные направления исследований:

  • Универсальные критерии и соотношения, описывающие физико-механику полимерных стекол:
    - обобщенная механика полимерных материалов;
    - общность температурно-скоростной зависимости механических свойств;
    - прогнозирование деформационного и релаксационного поведения конструкционных материалов при произвольных температурно-временных условиях эксплуатации.
  • Поиск корреляции между уровнями структурной неоднородности полимерных тел и их поведением при механических и иных воздействиях.
  • Научно-технологические принципы создания конструкционных и функциональных материалов нового поколения.
  • Мониторинг свойств полимерных материалов во время эксплуатации: разработка алгоритмов компьютерных испытаний и прогноза прочностной устойчивости физико-механических свойств материала в условиях эксплуатации;

В основу общей стратегии решения перечисленных задач положена разработка обобщенного анализа температурно-скоростной зависимости деформационного и релаксационного поведения полимерных тел. С этой целью предметом изучения являются: обобщенные и универсальные соотношения, описывающие пластическую деформацию полимерных материалов; обобщенный характер деформационного и релаксационного поведения полимерных стекол; разработка обобщенной модели полимерного стекла, позволяющей универсально описать физико-механические свойства данного класса материалов. Полученные соотношения и зависимости привели к новой постановке вопроса о структуре полимерного стекла как спектра перколированных микрообластей, характеризующихся собственной микромеханикой. Для описания такой структуры разработан метод «Структурно-деформационной спектроскопии». Результаты по обобщенному поведению полимерных стекол выявили подходы к формулированию универсальных критериев физико-механического поведения химических веществ и материалов в конденсированном состоянии вне зависимости от их химической структуры. 

Направление 2: Влияние олигомерных ограниченно совместимых добавок на оптические и физико-механические свойства полимерных стекол

В лаборатории развернуты исследования влияния добавок, ограниченно совместимых с полимерной матрицей, на физико-механическое поведение полимерного стекла. Показано, что введение олигомерного полипропиленоксида в полимерное стекло приводит к уменьшению температуры стеклования полиметилметакрилата. При одновременном введении олигомерного полипропиленоксида и квантовых точек в органическое стекло, изменяется флуоресценция квантовых точек.  
Список основных публикаций группы:
1. М. С. Аржаков, М. В. Анахов, А. Е. Жирнов, Г. М. Луковкин, С. А. Аржаков, Введение в унифицированный анализ физических свойств веществ и материалов. Accent Graphics Communications Montreal, 2017.
2. M. S. Arzhakov, A. E. Zhirnov, S. A. Arzhakov, G. M. Lukovkin, A. G. Kolmakov, V. T. Zabolotnyi, “Glass ceramic and polymer impact-resistant materials and protective constructions based on them (Review),” Russ. Metall., no. 10, pp. 800–804, 2015.
3. G. Kolmakov, I. B. Oparina, M. A. Sevostyanov, M. S. Arzhakov, and G. M. Lukovkin, “Composite based on polymethylmethacrylate with fractal clusters of ZrO2 particles,” Eurasian Phys. Tech. J., vol. 12, no. 2, pp. 33–36, 2015.
4. М. С. Аржаков, Г. М. Луковкин, А. Г. Колмаков, С. А. Аржаков, А. Е. Жирнов, А. А. Парфенов, “Прозрачные ударостойкие композиционные материалы с ортогональным распределением элементов и защитные конструкции на их основе,” Интеграл, no. 1–2, pp. 50–53, 2015.
5. М.С. Аржаков, А.Е. Жирнов, С.А. Аржаков, Г.М. Луковкин, А.Г. Колмаков, В.Т. Заболотный, “Стеклокерамические и полимерные ударостойкие материалы и защитные конструкции на их основе,” Деформация и разрушение материалов, no. 10, pp. 10–15, 2014.
6. A.E. Zhirnov, G.M. Lukovkin, M.S. Arzhakov, S.A. Arzhakov, “On the temperature and pressure dependence of the dynamic viscosity of n-alkanes,” Moscow Univ. Chem. Bull., vol. 68, no. 2, pp. 118–122, 2013.
7. М. С. Аржаков, С. А. Аржаков, and Г. М. Луковкин, Физическая механика полимерных стекол. Lambert Academic Publishing Германия, 2012.
8. И. Б. Опарина, А. Г. Колмаков, Г. М. Луковкин, М. С. Аржаков, А. Е. Жирнов, М. А. Севостьянов, Е. Е. Баранов, В. И. Антипов, Л. В. Виноградов, П. А. Быков, “Новый композиционный материал с фрактальной структурой на основе полимерной матрицы с наноструктурными микрочастицами ZrО2,” Материаловедение, no. 8, pp. 51–58, 2011.
Патенты
1. Способ получения полимерных продуктов для изготовления органического стекла. Авторы: Аржаков М.С., Аржаков С.А., Дьячков А.И., Дьячков И.А., Скоробогатова А.Е., Стояченко И.Л., Чернавин В.А. #2243978 (РФ), 29 апреля
2. Способ получения органического стекла на основе метилметакрилата. Авторы: Аржаков М.С., Аржаков С.А., Дьячков А.И., Скоробогатова А.Е., Стояченко И.Л., Чернавин В.А. #2228341 (РФ), 23 ноября
3. Способ переработки форполимера метилметакрилата и удаления из него свободного мономера. Авторы: Аржаков М.С., Аржаков С.А., Дьячков А.И., Скоробогатова А.Е., Стояченко И.Л., Чернавин В.А., Дьячков И.А. #2225871 (РФ), 8 апреля
4. Способ изготовления многослойного стекла. Авторы: Аржаков М.С., Аржаков С.А., Дьячков А.И., Скоробогатова А.Е., Стояченко И.Л., Чернавин В.А., Дьячков И.А. #2228851 (РФ) , 17 марта.
5. Способ получения многослойного стекла на основе метилметакрилата. Авторы: Аржаков М.С., Аржаков С.А., Дьячков А.И., Скоробогатова А.Е., Стояченко И.Л., Чернавин В.А. #2217319 (РФ), 12 марта

 

Заведующий

в.н.с. д.х.н. Мелик-Нубаров Николай Сергеевич

Сотрудники:

проф. д.х.н. Аржаков Максим Сергеевич

в.н.с. д.б.н. Гроздова Ирина Дмитриевна

доц. к.х.н. Жирнов Артём Евгеньевич