Биоматериалы: что мы скопировали у природы
Человечество по праву гордится своими научными достижениями в области синтетических материалов: нанотехнологичные метаматериалы, передовые полимеры, композиты и т.д. Однако нам все еще есть чему поучиться у природы, благо в последние десятилетия появились технологии, которые впервые позволяют скопировать по-настоящему уникальные природные материалы.
Морские огурцы: мягкие снаружи, твердые внутри
Морские огурцы (голотурии) – это беспозвоночные длиной от 3 см до 2 м. Обычно они мягкие и податливые, но в случае опасности становятся жесткими. Эта необычная смена свойств заинтересовала ученых из Case Western Reserve University, которые захотели разработать материал с аналогичными свойствами. Цель понятна: подобный материал очень нужен в медицине, например при имплантации нейроинтерфейсов, электроды должны быть жесткими, а уже во время эксплуатации в теле – гибкими и мягкими.
Однако создать такой материал очень непросто и здесь морские огурцы – просто подарок для науки. Но для копирования нужно было узнать, как морские огурцы выполняют «чудесную» трансформацию. Оказалось, что в морских огурцах существует сеть коллагеновых волокон в мягкой матрице. Когда животное пугается и выделяет особые химические вещества, волокна формируют прочные жесткие связи.
Изображение, сделанное с помощью сканирующего электронного микроскопа, показывает нанокомпозит, который может менять свойства: быть мягким в сухом состоянии и жестким под воздействием влаги. На создание данного материала ученых вдохновили морские огурцы
Ученым удалось повторить этот природный «трюк». Для этого они создали нанокомпозит из крошечных волокон целлюлозы в гибкой полимерной матрице. В обычном состоянии это жесткий материал, но после добавления воды он становится мягким – то что надо для имплантата.
Подводное стекло, которое невозможно разбить
Еще один морской организм, морская губка, имеет очень необычный скелет, сделанный из стекла. Например морская губка под красивым названием Корзинка Венеры имеет длину до 25 см и отличается фантастической красотой: изящная ажурная цилиндрическая конструкция из тончайшего стекла. Однако при всей кажущейся хрупкости, скелет морской губки прочнее многих видов цемента и выдерживает тысячи килограмм давления воды.
Ученые из Гарвардского университета всерьез заинтересовались морскими губками, которые не только имеют прочнейший стеклянный скелет, но и производят некоторое количество света благодаря биолюминесцентным бактериям. Конструкция подводного «светильника» действительно необычна: скелет представляет собой решетчатую цилиндрическую конструкцию похожую на ту, что используют инженеры для строительства опор мостов и каркасов небоскребов. Кроме того, стекло морской губки слоистое, что не только делает его прочнее, но и позволяет лучше проводить свет.
Благодаря тщательному исследованию скелета морской губки, ученые выяснили, что оно состоит из спикул – крошечных продолговатых кристаллов. И вот, в марте 2013 года ученые из Университета Иоганна Гутенберга и Института исследований полимеров Макса Планка наконец смогли воссоздать спикулы и повторить скелет морской губки. Искусственный аналог сделан из дешевого минерала кальцита и обладает уникальными качествами природного оригинала: необычайной прочностью и светопроводимостью.
Морская губка под названием Корзинка Венеры имеет светящийся решетчатый каркас, состоящий из крошеных продолговатых кристаллов. Немецким ученым удалось создать искусственный аналог данного материала: прочная, но гибка трубка проводит свет и может применяться в протезировании и электронной промышленности.
Ученые сымитировали естественный процесс роста скелета в лаборатории: рост кальцитного скелета управлялся натуральным белком силикатеином. В результате за 6 месяцев из аморфного сырья удалось вырастить небольшую стеклянную трубку – гибкую, но прочную. Данную технологию можно использовать в протезировании и электронике.
Хитоны – мегазубы мечты
Хитоны - это морские моллюски. У одного из видов хитонов, Chaetopleura apiculata, есть совершенно невероятный набор зубов, настолько прочных, что с их помощью можно перетирать камни в поисках водорослей. Не надо объяснять, насколько полезен такой материал: из него можно делать броню, режущие кромки инструментов, медицинские эмали, искусственные кости и т.д.
Зубы хитонов сделаны из магнетита – прочнейшего природного материала, обладающего к тому же магнитными свойствами. Ученые научились выращивать магнетит в лаборатории, осталось только освоить промышленное производство
Ученые из Северо-Западного университета решили скопировать уникальные самозатачивающиеся зубы хитонов и сделать на основе нового материала протез кости. Исследователи изучают, как органические белки могут направлять и поддерживать рост неорганических минеральных веществ в зубах морских ежей.
В свою очередь, ученые из Университета Калифорнии сосредоточились на изучении зубов хитона Cryptochiton stelleri. Этот хитон также имеет «камнедробильный» набор зубов, которые состоят из магнетита. Это самое прочное из известных биоминеральных веществ, которое к тому же обладает магнитными свойствами. Американским ученым удалось выяснить, как формируется этот уникальный материал в теле хитона. Сначала на хитиновых волокнах формируются нанокристаллы ферригидрита, которые преобразуются в магнетит. Затем частицы магнетита начинают расти по направлению хитиновых волокон и формируют ряды параллельных высокопрочных стержней, которые придают зубам высокую прочность.
Интересно, что этот процесс не требует высоких температур, давлений и токсичных химикатов. Если удастся создать эффективную технологию промышленного производства магнетитных материалов, то появится новое поколение бронежилетов, износостойкой одежды, инструментов, противометеоритной защиты и электроники.
Суперклей мидий
Мидии обладают уникальной способностью: несмотря на жестокие штормы и течения, благодаря суперпрочному природному клею моллюски остаются намертво приклеенными к скалам.
Двустворчатые моллюски выделяют тягучую белковую жидкость, которая затвердевает и превращается в прочные нити с капелькой водостойкого клея. По всей длине клеевая нить имеет узелки из белков с вкраплением железа.
Мидии выделяют особый клей, с помощью которого моллюски надежно приклеиваются практически к любой поверхности. Искусственный аналог такого клея очень нужен в медицине и промышленности
Теперь ученые пытаются создавать из этой аминокислоты прочный клей, пригодный для ремонта сосудов, сломанных костей и герметизации в условиях повышенных влажности и механических нагрузок.
Искусственная паутина
Паучий шелк обладает множеством ценных свойств: он суперэластичный, клейкий, легкий, но достаточно прочный, чтобы на него можно было подвесить ванну с водой.
Ученые уже много лет пытаются создать искусственный шелк. Его выращивали в пробирке, в биотанках с генно-модифицированными бактериями и даже козами, однако синтетический шелк до cих пор уступает по характеристикам натуральному.
По заявлению представителей компании AMSilk, их синтетический шелк Biosteel не хуже натурального. Данный материал превосходит по характеристикам лучшие арамидные волокна, а значит бронежилеты из паучьего шелка будут при той же массе гораздо прочнее
Но недавно компания AMSilk объявила, что ей удалось создат искусственный шелк, который ничуть не хуже натурального. Этот материал называется Biosteel и производится он с помощью генно-модифицированной бактерии E.coli (кишечной палочки). Компания не раскрывает подробности производственного процесса – оно и понятно, ведь синтетический шелк станет по-настоящему прорывным продуктом.
Из синтетического паучьего шелка можно производить сверхпрочные бронежилеты, солнечные паруса, парашюты, медицинские материалы и множество других вещей, на которые без сомнения будет огромный спрос.
Собака и репейник
В 1940 году швейцарский инженер Жорж де Мистраль взял свою собаку и отправился на охоту. После возвращения, он обнаружил, что как всегда на шерсть собаки налипли семена репейника. Ученый решил взглянуть на них в микроскоп и обнаружил крошечные крючки, которыми репейник цепляется за шерсть.
Обычный репейник стал прообразом застежки-липучки, которой люди пользуются уже более 70 лет. Липучки или Velcro можно встретить повсеместно: от обуви и одежды, до крепежей оборудования на Международной космической станции
Эта картина вдохновила инженер на разработку всем известной застежки липучки, или как ее называют на западе – Velcro. Делается искусственный аналог репейника легко: простые липучки изготавливаются из нейлона, волокна которого при нагревании загибаются в крючки. Сегодня существует множество типов липучек, включая прочные застежки, выдерживающие нагрузку до 5.6 кгс/кв. см.
Липучка или Velcro является ярким примером того, как природа может решить наши самые сложные проблемы.
Простой рецепт научной славы
Как видим, порой для того, чтобы сделать полезнейшее изобретение или разработать новый класс ценных материалов необходимо лишь присмотреться к тому, что создала самая "продвинутая" лаборатория - природа. Миллионы лет эволюции родили уникальные материалы, которые могут пригодится при создании высокотехнологичных устрйоств и эффективных методик лечения.
Михаил Левкевич
Поделиться