Создана искусственная кожа, состоящая из «бутылочных ершиков»

Международная команда ученых исследовала параметры биосовместимых самоорганизующихся полимеров, образующих объемную структуру из эластичных элементов, похожих на бутылочные ершики, связанных жесткими стеклообразными нанометровыми шариками. Такие материалы могут найти применение как импланты или искусственные аналоги различных тканей человека: более жесткие могут заменить хрящ, а более мягкие — кожу или даже жировую ткань. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Macro Letters.

В современном материаловедении господствуют два подхода к разработке новых материалов: эмпирический, или эдисоновский (метод научного тыка), в основе которого лежит комбинаторика, и предиктивный, опирающийся на аналитические расчеты и имеющий предсказательную силу. Чтобы создать материал первым путем, ученые перебирают несколько известных параметров в разных сочетаниях до достижения нужного результата. Если число таких параметров возрастает, время на поиск оптимального по свойствам материала будет увеличиваться до бесконечности.

Команда лаборатории инженерного материаловедения МГУ использует второй подход. Для создания нужного материала ученые опираются на известные аналитические законы, описывающие поведение полимерных цепочек, так называемые скейлинговые закономерности. В своей новой работе ученые исследовали способные к самосборке полимеры, состоящие из нескольких частей, или блоков. Предметом последних исследований команды служат сополимеры, в какой-то степени напоминающие наногантели с ворсистой рукояткой. Краевые части этой «гантели» образованы классическим линейным полимером, а центральная — эластичной молекулой со множеством боковых ответвлений, из-за чего даже в научной литературе ее называют «бутылочным ершиком». Концевые линейные блоки создают нанометровые стеклообразные шарики, а центральная часть натягивается, приобретая вид нано-гантели.

Если много таких «гантелей» поместить в одном пространстве, то они начнут организовываться в сетчатую структуру с жесткими стеклообразными шариками, соединенными эластичными «ершиками». Этот процесс называется молекулярной самосборкой, и физические характеристики внутри этой самоорганизующейся сетчатой структуры изменяются в ходе сборочного процесса. Международный коллектив ученых, используя передовые методы, решил их исследовать.

Чтобы изучить натяжение «ершика» вблизи жесткой сферы и проследить его изменения при удалении в сторону центра трехблочного сополимера внутри самоорганизовавшейся сетки, ученые использовали возможности, предоставленные Европейским центром синхротронного излучения (ESRF) в Гренобле (Франция). Синхротронная линия, использованная в экспериментах, способна давать информацию о структуре макромолекул в диапазоне размеров от единиц ангстрем (10^-10) до нескольких микрон. Именно такой широкий диапазон требуется для исследования структуры подобной системы.

Детально изучив структурные параметры сополимера на разных пространственных разрешениях, ученые пришли к пониманию того, как можно создавать материалы с заданными механическими свойствами из трехблочных сополимеров. Задав необходимые свойства — упругость, цвет и т. д. — предложенная математическая модель выдает набор параметров, подобных генетическому коду живых существ. Затем этот набор параметров используется при синтезе трехблочных сополимеров, и в результате их самосборки образуется материал с необходимыми свойствами.

Поскольку материал из описанных триблок-сополимеров биологически совместим с тканями человека, а также не требует использования растворителей и других дополнительных компонентов для достижения заданных механических свойств, из него возможно изготавливать импланты для различных типов тканей. Предыдущие исследования команды ученых в составе международной коллаборации позволили создать из таких же трехблочных сополимеров синтетический материал, который при деформации изменяет цвет подобно коже хамелеона.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.