Международная команда исследователей под руководством сотрудника МГУ имени М.В. ЛомоносоваДмитрия Иванова детально исследовала параметры биосовместимых самоорганизующихся полимеров, образующих объемную структуру из эластичных элементов, похожих на бутылочные ёршики, связанных жёсткими стеклообразными нанометровыми шариками. Знание физико-химических параметров позволит создавать из этого полимера биосовместимые материалы с тонко настраиваемыми механическими свойствами. 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 (учёные шутливо называют его “методом научного тыка”), в основе которого лежит комбинаторика, и предиктивный, опирающийся на аналитические расчеты и имеющий предсказательную силу. Чтобы создать материал первым путём, учёные 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.
«Тесла сравнивал подход Эдисона с поиском иголки в стоге сена путём перебора каждой соломинки и полагал, что немного расчётов могли бы сильно упростить поиски и сэкономить уйму времени, — рассказывает ведущий автор исследования, заведующий лабораторией инженерного материаловедения МГУ Дмитрий Иванов. — В современном материаловедении никакого времени не хватит на поиски материала под узкие нужды путём перебора, поэтому мы решили сделать ставку на кодирование структуры полимеров, обладающих нужными параметрами. Однако это требует детального знания структуры полимеров, и мы их выяснили».
Команда лаборатории инженерного материаловедения МГУ, которой руководит Дмитрий Иванов, использует второй подход. Для создания нужного материала учёные опираются на известные аналитические законы, описывающие поведение полимерных цепочек, так называемые скейлинговые закономерности. Это позволяет целенаправленно создавать материалы с заранее заданными механическими свойствами, не прибегая к эмпирическому перебору бессчетного количества вариантов. В то же время, такой подход требует тщательного исследования структурных параметров материала на разных пространственных шкалах.
В последнее время команда Дмитрия Иванова занимается изучением способных к самосборке полимеров, состоящих из нескольких частей, или блоков, — блочных сополимеров. Предметом последних исследований команды служат сополимеры, в какой-то степени напоминающие нано-гантели 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 её называют бутылочным ёршиком. 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, соединёнными эластичными «ёршиками». Этот процесс называется молекулярной самосборкой, и физические характеристики внутри этой самоорганизующейся сетчатой структуры изменяются в ходе “сборочного” процесса. Международный коллектив исследователей, используя передовые методы, решил их исследовать.
Чтобы изучить натяжение «ёршика» близ жёсткой сферы и проследить, как оно изменяется при удалении в сторону центра трёхблочного сополимера внутри самоорганизовавшейся сетки, учёные 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 (одна десятимиллиардная доля метра) до нескольких микрон (миллионные доли метра). Именно такой широкий диапазон требуется для исследования структуры подобной системы со сложной внутренней организацией, имеющей иерархическое строение.
Исходный трёхблочный полимер может быть очень мягким в исходном недеформированном состоянии, но при натяжении становится прочным (подобным образом ведёт себя человеческая кожа). Характеристики материала, образующегося при молекулярной самосборке, зависят от размера сфер, а также от длины эластичных блоков между ними. Объединение молекулярных триблоков в сетку также приводит к изменению угла между «щёткой» и «сферой» в сторону перпендикуляра к поверхности.
Детально изучив структурные параметры сополимера на разных пространственных разрешениях, учёные пришли к пониманию того, как можно создавать материалы с заданными механическими свойствами из трёхблочных сополимеров. Задав необходимые свойства — упругость, цвет и т.д. — предложенная модель выдаёт набор параметров, подобных генетическому коду живых существ. Затем этот набор параметров используется при синтезе трёхблочных 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 Дмитрия Иванова в составе международной коллаборации позволили создать из таких же трёхблочных сополимеров синтетический материал, который при деформации изменяет цвет подобно коже хамелеона.
Источник: https://scientificrussia.ru/news/uchyonye-nauchilis-delat-iskusstvennuyu-kozhu
