Что такое металлоорганическая химия и зачем нужны биоразлагаемые полимеры? Можно ли их создать с помощью современных химических методов? Как эти методы могут помочь в лечении рака или протезировании костной ткани? Об этом мы беседуем с академиком Игорем Леонидовичем Федюшкиным, директором нижегородского Института металлоорганической химии им. Г.А. Разуваева Российской академии наук.
Игорь Леонидович Федюшкин. Фото Елены Либрик / Научная Россия
— Вашему институту в прошлом году исполнилось 60 лет. Расскажите, в связи с чем он был создан, кто его основатель.
— Предтеча института — Лаборатория стабилизации полимеров АН СССР (ЛСП АН СССР), которая была создана в городе Горьком в 1963 г. Возглавил ее член-корреспондент АН СССР Григорий Алексеевич Разуваев, и лаборатория была первым академическим учреждением в Горьком.
Разуваев оказался в Горьком в 1946 г. Он многие годы начиная с 1933 г. провел в заключении по ложному обвинению. В 1945 г. его освободили, в Горький он приехал в 1946 г. и фактически создал современную кафедру органической химии.
Спустя пять лет после появления в Горьком ЛСП АН СССР вышло постановление Совета Министров СССР и был создан Институт химии АН СССР, и это было все еще единственное академическое учреждение АН СССР в городе. Знаменитый нижегородский физический институт ФИЦ «Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН» намного больше нашего, крупнейший, наверное, в отделении физических наук РАН, появился только в 1977 г. А ИХ АН СССР существовал с 1968 по 1988 г., 20 лет.
В 1988 г. произошло его разделение на два института: наш Институт металлоорганической химии им. Г.А. Разуваева и Институт химии высокочистых веществ им. Г.Г. Девятых. В настоящее время оба института активно работают, продолжая традиции их основателей.
— Но направления исследований разные?
— Да. Институт металлоорганической химии традиционно занимается металлоорганикой, но полимерное направление, которое когда-то возникло в Горьком, тоже у нас сохраняется. Институт небольшой, чуть больше 100 научных сотрудников, но с очень квалифицированным кадровым составом. У нас более 90 % сотрудников имеют ученую степень и практически нет рабочих цехов типа слесарного, у нас все — научные сотрудники. Я говорю, что мы — химический спецназ, который может решить любую задачу.
— И какие задачи вы решаете?
— Это, прежде всего, фундаментальные исследования в области металлоорганической химии. Мы собираем молекулы — иногда из атомов, но чаще из простых фрагментов. Молекулы, которые мы собираем, новые, они никогда никем не были получены. Делаем мы это целенаправленно — нас интересуют молекулы, которые либо проявляют каталитические свойства в реакциях органического синтеза, либо обладают специфическими физическими свойствами — например, фотофизическими и магнитными, проводниковыми свойствами.
Мы привыкли, что полупроводники — это кремний и различные бинарные структуры, а настоящие проводники с высокой электронной проводимостью — это металлы. Так вот, из металлоорганических молекул можно сделать прозрачные легкие полупроводники. Добиться высокой электронной проводимости на них вряд ли получится.
Другое свойство, очень важное — это магнетизм. Это такой феномен природы, который возник, наверное, одновременно с Большим взрывом, когда появились электроны — носители магнетизма.
— Вы конструируете магнитные молекулы?
— Да, одна молекула — один магнит. Размер молекул — максимум несколько нанометров, это десятки ангстремов. Управляя магнитными свойствами отдельной молекулы, можно построить очень сложную и очень насыщенную независимыми магнитными центрами систему, которой можно по-разному управлять — переключать свойства в магнитах.
Как я уже упомянул, мы занимаемся катализаторами. Вообще катализ — это, наверное, самый эффективный способ проведения химической реакции. Природа разрабатывала свои природные катализаторы — энзимы, ферменты — десятки миллионов лет. Конечно, мы далеки от тех систем, которыми оперирует природа, но успехи в области катализа огромные.
— Какие же?
— Если говорить о мировых успехах, то три Нобелевские премии по химии в этом тысячелетии были присуждены за работы в области катализа. Не нам, но очень достойным ученым, и мы за них рады. К сожалению, пока российских ученых среди них нет, но я думаю, что обязательно будут. У нас в стране есть выдающиеся каталитики: например, в МГУ работает академик Ирина Петровна Белецкая.
— Академик Ю.А. Золотов занимается катализом.
— Юрий Александрович выдающийся ученый, занимается в основном аналитической химией. А Ирина Петровна занимается органической химией на химическом факультете, до сих пор активно работает. В декабре 2023 г. на общем собрании РАН ей была вручена Международная премия ЮНЕСКО-России им. Д.И. Менделеева. Это очень высокая награда, а ведь Ирине Петровне 10 марта исполнился 91 год! Потрясающая женщина.
— Но давайте поговорим о ваших разработках в этой области.
— У нас есть группа члена-корреспондента РАН А.А. Трифонова, где занимаются разработкой катализаторов для процессов присоединения молекул, которые содержат активную связь, например «водород — азот», «водород — фосфор», к непредельным соединениям. Вообще, реакция присоединения — это один из мощнейших инструментов органического синтеза. Такими реакциями можно получать огромный спектр практически очень ценных соединений.
Надо сказать, что реакции присоединения весьма интенсивно исследовались, огромный вклад в исследование этих реакций внесли отечественные ученые. Нельзя не упомянуть Владимира Васильевича Марковникова. Он родился в том месте, где сейчас находится Дзержинск Нижегородской области. Владимир Васильевич работал в Казанском университете, был учеником А.М. Бутлерова, потом много лет преподавал в МГУ. Существует «правило Марковникова», по которому определяется, как идут реакции присоединения к двойной связи «углерод — углерод».
— А вы сами в каком направлении сейчас работаете?
— Направление катализа, которым я сейчас занимаюсь, — катализ реакций полимеризаций. Полимеры — это то, без чего нельзя представить нашу жизнь. Если убрать из нашей жизни полимеры, мы будем выглядеть как первобытные люди. Полимеров сейчас производится порядка 380 млн т в год. Это гораздо больше производства керамики, стекла, уже не говоря о древесине, — это хороший материал, но подвергается гниению, как и железо, которое ржавеет. Стекло и керамика не ржавеют, но они хрупкие. Всех этих недостатков лишены полимеры, и поэтому мы не можем без них прожить.
— Видела в интернете вашу лекцию об опасности полимеров. О чем речь?
— Преимущество полимеров – это и их недостаток. Они не деградируют в окружающей среде и накапливаются.
— Но ведь существуют биоразлагаемые полимеры, хотя они почему-то не производятся в нашей стране.
— Вот как раз этим мы и занимаемся. Сам полимер, который мы стараемся получить, известен, а нами предложен оригинальный катализатор его получения. Самый известный биоразлагаемый полимер — полилактид, года четыре назад его производили в объеме около 300 тыс. т в год. А всего в мире полимерной продукции производится 380 млн т в год. Почувствуйте разницу!
Игорь Леонидович Федюшкин. Фото Елены Либрик / Научная Россия
— В чем проблема?
— Проблема в том, что сейчас полилактид слишком дорог. Он производится в небольших количествах. Есть компании, которые его производят в медицинских целях, — в США, Финляндии, Голландии. В России этот полимер известен, его применяют в клиниках, но приобретается он за рубежом.
Наш вклад в решение проблемы доступности этих полимеров состоит в том, что мы предлагаем катализатор, который, можно сказать, ничего не стоит. Он доступен. В стоимость полимеров, конечно, вносят вклад и другие факторы. Например, у нас нет производства молочной кислоты, чтобы делать эти полимеры. Та молочная кислота, которую мы используем сейчас, импортная. Но над этим наши партнеры в Москве тоже работают, в Тульской области есть биохимическое производство, где отрабатывают технологию получения молочной кислоты посредством брожения растительного сырья. Это важно, подчеркиваю: нам не нужны нефть или газ, чтобы производить полимеры, мы можем делать их из растительного сырья.
— Что это за чудесный катализатор, который ничего не стоит?
— Формулу я вам не назову, это секрет. Мы его сами придумали, сами разработали. Мы занимаемся этим давно и, как часто это бывает в науке, идем от очень сложного к простому. Когда мы 20 лет назад начинали, у нас были сложные катализаторы. Они были очень хорошие, но уже тогда мы понимали, что никакого практического значения они не будут иметь: затраты на их получение и применение неоправданно высоки. Нынешний наш катализатор в основе своей содержит компоненты, которые в настоящее время выпускаются в большом количестве в промышленности. Эти компоненты нужно просто соединить, как кирпичики.
— Значит, ваш катализатор, молочная кислота… Что еще нужно для производства биоразлагаемых полимеров?
— Ничего. У себя в лаборатории можем производить порядка 4–5 кг полилактида, у нас реактор на 10 л, максимальная загрузка реактора — 7–8 л молочной кислоты. Но это лабораторная методика, технология еще не отработана. С другой стороны, для медицины 4–5 кг — это немало, это не пластиковые бутылки или пластиковая посуда, не упаковка. Для медицины много не надо. Мы активно работаем с медиками из Приволжского исследовательского медицинского университета. Там проводятся эксперименты по определению цитотоксичности этих материалов, определению их биосовместимости.
— Значит, они используют в своих исследованиях ваш полимерный материал? Что они хотят в дальнейшем производить из таких материалов?
— Тут мы подходим еще к одному полимеру — это не биоразлагаемый полимер. Достоинство его в том, что он пористый. Получается он из сырья, которое производится в Дзержинске. Способ получения этого полимера известен — это полимеризация под действием свободных радикалов. Особенность наших подходов в том, что эту радикальную полимеризацию мы инициируем светом. Если не светить, держать композицию в темной комнате, то ничего происходить не будет. Но стоит туда добавить радикальный инициатор и активировать его светом — получается полимер.
Такие полимеры давно известны. И на Западе они есть. Но наши полимеры — полиакрилаты, основа полимерной молекулы — акриловый мономер. Перед этим мы говорили о производных молочной кислоты, а здесь говорим о производных акриловой кислоты, точнее ее эфиров. Это работа группы профессора С.А. Чеснокова — они научились делать эти материалы пористыми. Пористость достигает 80% от объема изделия, который они получают под действием света.
— Почему это важно?
— Такая пористость очень нужна, чтобы восстановить костную ткань. Например, минно-взрывная травма, резекция кости при онкологии. Когда утрачивается фрагмент кости, на этом месте кость обычно не восстанавливают, а ставят либо металлический протез — всем известный тазобедренный сустав, который делается из титана, — либо какие-то элементы, соединяющие кость, это тоже металлические конструкции. Если есть костный дефект, его заполняют, например, костным цементом. Это тоже акрилат, но это не пористый материал, он приготавливается хирургом во время операции: намешивается акрилатная композиция, добавляется инициатор и полученной массой заполняется костный дефект. Чтобы нарастить кость, подходы есть, но для этого используются костные же материалы. Есть три вида костных имплантатов: ауто — это собственная кость; алло — кость, забранная у особи того же вида; ксено — кость животного. Эти костные материалы — фактически хорошо переработанная природная кость. Из нее убирают всю органику, все вымывают, и остается только основа кости — фосфат кальция. Такой материал используют, например, в стоматологии для наращивания кости челюсти. А вот полимерный синтетический материал никогда ранее не использовался.
— Кость ведь тоже пористая?
— Да, но в этих порах есть разные структуры — кровеносные сосуды, остеобласты, стволовые клетки, которые превращаются в костные клетки. То, что мы предлагаем, — это такой полимерный скаффолд для костных клеток: пористая конструкция, все поры взаимосвязаны между собой, они выходят на поверхность. Если мы нальем на этот полимерный объект жидкость, то она вся пройдет через него.
— Как фильтр?
— Именно. А полилактидом мы лигируем этот пористый материал, заполняем поры не полностью, а выстилаем поверхность пор полилактидом. В него добавляем антибиотики, чтобы не было воспаления и отторжения этого полимерного объекта. Полилактид разлагается не только в окружающей среде, но может деградировать и в тканях организма. Он постепенно растворяется, при этом высвобождается антибиотик и освобождается место для костной ткани.
— На какой стадии исследования вы сейчас находитесь?
— Доклинический этап мы частично прошли. Мы хотели бы наладить производство медицинского замещающего материала. Для этого встречаемся с потенциальными инвесторами, разными структурами — коммерческими и государственными. Чтобы получить регистрационное удостоверение на медицинское изделие, нужно закончить доклинические испытания и приступить к клиническим. Для этого нам нужно создать производство, которое будет соответствовать всем требованиям по чистоте. Затем мы должны изготовить опытную партию материала и с разрешения Агентства по здравоохранению, отвечающего за выпуск на рынок медизделий, начать проводить испытания уже на людях.
— Какие перспективы? Когда это может произойти?
— Думаю, что производство можно создать примерно за год. Потом выпустить опытную партию, еще год-полтора — это клинические и доклинические испытания. И через три-четыре года, думаю, уже можно иметь регистрационное удостоверение и начинать использовать это в клиниках.
— Какие еще у вас научные планы?
— У нас есть еще два прикладных направления. Одно из них тоже связано с медициной — это противораковые вакцины. Синтетическая часть этих работ выполняется в группе кандидата химических наук Л.Г. Клапшиной. Вакцина — это не препарат химиотерапии. Вакцина стимулирует и активирует иммунную систему против опухоли. Вакцину мы создаем на основе порфиразиновых молекул, это такие большие азотные гетероциклы. Они могут содержать атом металла. Уже проведены эксперименты на животных, которые показывают хороший эффект — стимулируется иммунная система, и опухоль начинает угасать. Нельзя сказать, что это масштабная работа, в ней участвуют всего несколько человек. Но результаты — абсолютно мирового уровня.
— А с какими медицинскими организациями вы сотрудничаете?
— Во-первых, с нашим медицинским университетом, ПИМУ, где есть НИИ экспериментальной онкологии и биомедицинских технологий и институт травматологии и ортопедии. Очень сильная группа есть в ННГУ им. Н.И. Лобачевского, мы с ними работаем уже много лет. И у нас хорошие контакты с группой профессора Гентского университета (Бельгия) Дмитрия Вадимовича Крысько. Они могут проводить исследования на оборудовании, которого у нас нет. Но сама идея наша, вещество делаем мы. А дальше — эксперименты на животных: доставка в опухоль, исследование того, как это вещество себя ведет в раковых клетках, как оно накапливается.
— На каких типах опухолей это работает?
— Например, глиома. Это очень опасная опухоль головного мозга. Гематоэнцефалический барьер препятствует проникновению чужеродных молекул в головной мозг, а в случае порфиразиновой вакцины был хороший эффект.
— Как я понимаю, в ваших планах — довести это до потребителя?
— Да, мы бы очень хотели, но это уже задача других масштабов. Еще одна задача, которая тоже имеет выраженный прикладной характер, связана с углеродными наноструктурами, это работы к.х.н. А.М. Объедкова и м.н.с. И.В. Вилкова. Когда-то все начиналось с фуллеренов, потом — углеродные нанотрубки, с которыми разве что ленивый не работал. Мы их производим уже давно, но пошли дальше: мы делаем гибриды из этих углеродных нанотрубок, осаждаем на поверхности трубок неорганические материалы, например карбиды или оксиды металлов.
Получаемые нами материалы обладают уникальными свойствами: их микродобавка в алюминиевый сплав увеличивает его прочность в несколько раз. Только представьте – добавьте 0.05 массовых % углеродного наноматериала, который содержит углеродные нанотрубки и карбид вольфрама, в алюминиевый сплав – и прочность изготовленной из него детали повысится в разы!
— Что же вы хотите сделать на этой основе?
— Тут огромное поле возможностей, и мы хотели бы, чтобы это кто-то использовал. В первую очередь, эти материалы применимы для изготовления высокопрочных узлов и деталей, которые в ходе своей эксплуатации подвержены высоким нагрузкам. Но на этом спектр применений не ограничивается. Это также можно использовать для изготовления изделий из металлов сложной формы, например, методами 3D-печати металлами. Речь не про лист, не про большой объект, а про какую-то маленькую сложную форму, которую литьем или фрезеровкой, механообработкой из цельного куска не сделать. Для таких задач, где требуется повышенная прочность изделий, наши материалы можно и нужно применять.
— Как вы думаете, в чем уникальность вашего института?
— Мы едины. Нас немного, и мы все друг друга знаем. Все мы, как говорят у нас, одна большая семья. У нас не бывает конфликтов.
— Неужели?
— Это правда. Это не только моя заслуга. Наше старшее поколение, к которому меня еще рано относить, сумело создать эту атмосферу, а мы ее бережно храним. Григория Алексеевича Разуваева я встречал один раз в жизни, в 1985 г., я был тогда студентом. Это был человек, который любил науку и до конца был ей предан, как и его ученик и мой предшественник на посту директора института академик Глеб Арсентьевич Абакумов. Рядом с ним выросли такие же по душевному настрою люди. Мы пытаемся передать этот настрой молодежи. Я в этом посильно участвую. У нас в коллективе нет каких-то серьезных противоречий.
— Как вам это удается?
— Когда проходит конкурс молодых ученых, все переживают за своих, возникает конкуренция, и это нормально. Другой конкуренции у нас нет. Интересы у всех достаточно разные, группы самостоятельные, у нас всегда была академическая свобода. Нет такого, чтобы дирекция кого-то заставляла что-то делать. Хотите заниматься ядерной физикой — занимайтесь, если квалификация позволяет. Наверное, главное то, что люди не ощущают на себе какого-то давления. И в результате к нам охотно идет молодежь, что тоже уникально. У нас средний возраст научных сотрудников — 41 год. Одним словом, у нас замечательный институт.