Основные представления о химии и физико-химии высокомолекулярных соединений

Человек разумный (Homo Sapiens) в процессе своего развития и совершенствования постоянно имел дело с полимерными материалами как основой для изготовления одежды, жилья, средств передвижения, записи и хранения информации и многих других целей. Высокомолекулярные соединения являются основными пищевыми продуктами (белки, углеводы), да и сам человеческий организм в очень большой степени состоит из полимеров. Однако выделить полимерные материалы как самостоятельный класс подобно камню или металлам, давшим названия целым эпохам в истории человечества, не представлялось возможным из-за огромного многообразия свойств высокомолекулярных соединений и отсутствия общих внешних отличительных признаков, таких как твердость и хрупкость у камня, пластичность и блеск у металлов.

Это связано со сложностью и огромным многообразием химических структур молекул высокомолекулярных соединений. Высокомолекулярные соединения это вещества, молекулы которых (макромолекулы) состоят из большого числа атомов, соединенных друг с другом ковалентными или координационными связями. Это определение является несколько более широким, чем определение понятия «полимер», в молекуле которого составные звенья повторяются в количестве, достаточном для того, чтобы добавление или удаление одного или нескольких составных звеньев не приводило к изменению комплекса физико-химических свойств вещества («составное звено» – атом или группа атомов, входящих в состав цепи полимера). Поэтому термины «высокомолекулярные соединения» и «полимеры», хотя и близки по значению, но полными синонимами не являются, однако в настоящем изложении во многих случаях они могут быть взаимозаменяемыми.

Для лучшего понимания принципов и оснований применения полимерных материалов и изделий из них в биомедицинских технологиях в последующем материале в простой форме изложены основные представления о строении высокомолекулярных соединений и взаимосвязи их химической структуры с комплексом свойств, определяющим их значение для обсуждаемой области использования.

Большая часть высокомолекулярных соединений составлены из цепных макромолекул различной длины. Химическая структура составных звеньев может быть одинаковой, как в полиэтилене [-СН₂-]_n, так и существенно различной, как это реализуется в макромолекулах белков, состоящих из звеньев 20 различных аминокислот.

Макромолекулы полимера одинаковой химической структуры, например полиэтилена, могут существенно отличаться по длине – от нескольких десятков мономерных звеньев –СН₂-СН₂- до сотен тысяч мономерных звеньев (мономерное звено – наименьшее составное звено, которое образует молекула мономера при полимеризации – процессе превращения молекул мономера или смеси мономеров в полимер). Число мономерных звеньев в макромолекуле полимера называется степенью полимеризации.

Различаться по длине макромолекулы могут и в пределах конкретного образца полимера. Эта особенность полимерных веществ называется полидисперсностью. Абсолютно большая часть синтетических полимеров представляют собой полидисперсные образцы. Молекулярная масса таких полимеров исчисляется как средняя по числовому или массовому признакам. Значительная часть природных полимеров (многие белки, нуклеиновые кислоты), несмотря на огромные молекулярные массы, могут представлять собой индивидуальные соединения.

Большие размеры макромолекул высокомолекулярных соединений, наряду с их химической структурой, определяют комплекс их свойств, существенно отличающийся от комплекса свойств соединений, построенных из маленьких молекул. Этот комплекс свойств и определяет широкое применение полимерных изделий в биомедицинской практике. Поэтому следует кратко рассмотреть некоторые свойства полимерных систем.