Цивилизация
Международная команда исследователей, которую возглавляет руководитель лаборатории инженерного материаловедения МГУ Дмитрий Иванов, объявила о создании синтетического аналога кожи хамелеона, реагирующей на механические воздействия изменением прочностных свойств и цвета. Исследователи предрекают своей разработке большое будущее. О ней появилось сообщение в последнем номере журнала Science. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).
Дмитрий Иванов, четверть века проработавший в Европе, основал на факультете физико-химической инженерии МГУ лабораторию инженерного материаловедения, ради которой он оставил пост директора французского Института материаловедения, относящегося к ведению Центра научных исследований Франции, и теперь активно привлекает своих московских сотрудников к участию в международных проектах, одним из которых и стала кожа хамелеона.
Конечно, это не совсем кожа и не совсем хамелеона. По-научному это называется средствами активного камуфляжа, хотя собственно камуфляжем эти средства отнюдь не ограничиваются. Хамелеон, меняющий цвет кожи в зависимости от своего состояния, в этом смысле не одинок: средства активного камуфляжа встречаются также у некоторых головоногих и амфибий, мягкая, податливая кожа которых под внешним механическим воздействием быстро и сильно упрочняется, предотвращая своё разрушение. Учёные давно пытаются создать материалы, обладающие такими же свойствами, однако у разработанных к настоящему времени полимеров изменение механических характеристик при деформации происходит на порядки слабее, чем у живых тканей. А уж о том, чтобы изготовить материал, совмещающий способность сильного упрочнения при растяжении и изменения цвета, до сих пор даже и не мечтали. Теперь такой материал есть.
Для живой ткани мягкость в исходном состоянии и значительное упрочнение при деформации – обычные свойства, но сымитировать их в синтетических материалах до сих пор не удавалось. Часто между мягкостью и эластичностью приходится выбирать. Так, различные виды резины и силикона могут быть достаточно эластичными, но не такими мягкими, как нужно.
«Вы в детстве играли с динозавриками, которых кидаешь в воду, а они растут или вылупляются из яиц? – приводит пример Дмитрий Иванов. – Это был полимер, который называется гидрогель. Он состоит из звеньев-мономеров, и у него есть гидрофильные фрагменты, которые любят воду. Когда вода будет проникать в этот полимер, гидрофильные фрагменты будут поглощать воду, и он будет набухать». Гидрогель может набрать до 99% воды, становясь мягким, как живая ткань. Но у него есть несколько важных минусов. Ему не хватает механической прочности, он очень легко разрушается – как желе, которое разваливается на куски, если сжать его в руках или попробовать растянуть. Кроме того, он очень зависит от наличия влаги и растворителей, может высохнуть или слишком сильно набухнуть, а материалы для имплантов должны быть стабильны: не менять свой размер, не пропитываться физиологическими жидкостями.
До сих пор не получалось создать синтетический материал, который будет обладать мягкостью живых тканей, но при деформации становиться в десятки и даже тысячи раз более жестким.
В основе новой разработки учёных так называемые сополимеры, то есть полимеры, которые составлены из нескольких разных частей. Но, по словам Дмитрия Иванова, созданный авторами статьи сополимер существенно отличается от обычных, линейных. Новая макромолекула больше напоминает нечто похожее на гантель с ворсистой рукояткой. В центре конструкции находится элемент с множеством ответвлений, похожий на ёршик для чистки бутылок, из-за чего этот элемент принято называть «щёткой». Особенность такой молекулярной щётки, в своё время разработанной в США, заключается в том, что она обладает достаточной жёсткостью. Материал, состоящий из таких щёток, изначально вполне эластичный, но при деформации может очень быстро упрочняться.
Кроме того, новые полимеры обладают способностью к молекулярной самосборке — качеством, которое активно исследуется в московской лаборатории Иванова. Оно заключается в том, что в нужных условиях такая система способна сама собраться из элементарных кирпичиков, то есть макромолекул, в сложную иерархическую структуру, обладающую совершенно другими свойствами, нежели исходные кирпичики в неорганизованном состоянии. Таким образом, происходит процесс превращения наноразмерных частиц в материал, обладающий строго заданными свойствами.
Учёные, работающие над данным проектом, впервые смогли кодировать в молекулярной структуре таких полимеров все нужные для практического использования свойства, такие как, например, механическая кривая напряжения от деформации. Так, можно закодировать всю кривую деформации материала таким образом, чтобы она ничем не отличалась от таковой для живых тканей. Среди возможностей, которые предоставляет этот материал, Дмитрий Иванов особенно отмечает его применение в медицине, при изготовлении биоимплантов. Здесь с его помощью можно избавиться от проблемы механического несоответствия. В каждом случае необходимо, чтобы биоимплант обладал механическими свойствами, максимально схожими с теми, которые есть у окружающей ткани, иначе пациент оказывается под угрозой травм. На рисунке приводятся примеры деформационных кривых кожи свиньи, наложенных на кривые синтезированных в данной работе полимеров. Можно увидеть, что созданные материалы очень точно воспроизводят механические свойства живой кожи.
Ещё одним важным элементом синтезированных молекулярных гантелей являются концевые части. При самосборке они собираются в наноразмерные «стеклянные шарики». Такие шарики создают эффект активного камуфляжа, поскольку они находятся на таких расстояниях друг от друга, чтобы создавать условия для дифракции видимого света. Механические деформации такой ворсистой гантели меняют условия дифракции света, взаимодействующего с этими шариками, что в конечном итоге меняет цвет материала от голубоватого до светло-зелёного. Таким образом, новые материалы могут точно воспроизвести не только деформационные кривые живых тканей, но и оптические цветовые эффекты, которые объясняются чисто физическим явлением — дифракцией света. И, самое главное, эти материалы впервые могут приблизиться к живым тканям по степени реакции на механические нагрузки.
«Наши материалы, — говорит Иванов, — можно программировать в широком диапазоне механических и цветовых характеристик, достаточно задать необходимые структурные параметры молекулярных «щёток». Этот подход аналогичен кодированию нашей наследственной информации в цепочках ДНК».
