Создан мягкий материал-хамелеон с программируемыми свойствами

Российские ученые приняли участие в разработке материала, который по мягкости приближается к человеческой коже, а по умению менять цвет напоминает кожу хамелеона. Он представляет собой полимер, состоящий из нескольких типов звеньев-мономеров, и может пригодится для создания биологического импланта. Об этом сообщает статья в Science. Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (РНФ).

Материалы для биологических имплантов не должны отличаться по своим механическим свойствам — упругости, жесткости, устойчивости к деформации – от обычной биологической ткани. В противном случае на границе между ними будут возникать серьезные механические напряжения, которые могут повредить окружающие ткани. Чтобы этого не случилось, синтетическое вещество должно деформироваться точно так же, как и ткани рядом с ним. При этом ткани тела очень разнообразны по своим механическим характеристикам.

«Если вы разделывали курочку на ужин, то видели, что жировая ткань очень мягкая, ее механические свойства – упругость, жесткость материала – очень слабые, механическое напряжение – всего пара сотен паскалей. С другой стороны, есть кожа, ее легко растянуть, разгладить или сжать – она очень мягкая. Но, если попытаться сжать или растянуть еще сильнее, ничего не получится, то есть модуль эластичности может возрастать на несколько порядков», – поясняет соавтор статьи Дмитрий Иванов, руководитель лаборатории инженерного материаловедения факультета фундаментальной физико-химической инженерии МГУ имени М.В. Ломоносова.

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.

Ученые изобрели такой материал, сделав его стабильным, мягким и прочным. Его свойствами, включая цвет, можно управлять через его структуру. Как и меняющаяся окраска хамелеона, цвет нового материала – структурный. Это значит, что он обусловлен не химическим эффектом (пигментным красителем), а физическим – дифракцией (отклонением световых волн с возникновением цвета). У хамелеона эти эффекты возникают из-за нанокристаллов гуанина в клетках кожи. Когда ящерица взволнована или возбуждена, изменяется расстояние между кристаллами, и интерференция дает разные оттенки цвета в видимой области. Как и хамелеон, новый материал может менять свой цвет благодаря физическим эффектам. Сам по себе он имеет синеватый оттенок, но механическое воздействие влияет на его супрамолекулярную структуру, и цвет тоже изменяется.

Новый материал не состоит из смеси разных молекул, не нуждается в добавках и растворителях. В структуре всего одной молекулы можно запрограммировать и механические свойства, и цвет материала. Он представляет из себя длинную цепочку – полимер, состоящий из нескольких типов звеньев-мономеров.

Эти мономеры сгруппированы в блоки. В центре находится блок, напоминающий ершик для чистки бутылок: в нем есть стержень, от которого отходит очень много жестких, но гибких щетинок. Щетинки должны быть очень частыми, тогда связи между ними будут удерживать их торчащими, не давая «прилипать» к стержню. В англоязычной литературе такие структуры так и называются – bottlebrush, то есть «бутылочные щетки». Концевые (или, по-научному, терминальные) блоки – это простые цепочки, не похожие на щетки. Блоки из середины и на концах «не любят» друг друга и расслаиваются на две фазы: концевые блоки скручиваются в шарики диаметром 20-40 нанометров, между которыми и располагаются «ершики». Регулируя жесткость и длину «ершиков» и размер таких шариков, можно программировать механические свойства материала и его цвет.

Благодаря такому строению материал может полностью имитировать механические свойства свиной кожи и приближаться к человеческой. При этом, поскольку в нем нет растворителей, он не впитывает физиологические жидкости и не высыхает на воздухе. Пока рано говорить о том, можно ли будет создавать мягкие ткани и кожу конкретно из этого материала, но технология управления механическими свойствами через структуру полимерных цепочек может пригодиться для этой цели.

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.