Волокна с «самосознанием»

Внутрисосудистый стент со стенками из метаматериала. Желтым цветом показана атеросклеротическая бляшка. Иллюстрация Physorg

В организме клетки «сидят» на волокнистой подложке-матриксе, препятствующей клеточной инвазии (инвазивному росту). То есть образованию метастаз. Вместе с тем в ходе внутриутробного развития клетки передвигаются. У них появляются отростки, длина которых может достигать метра (как в случае седалищного нерва).

В противоположность этому процессу роста существует и другой: клетки надежно «скрепляются» друг с другом посредством белков с характерным названием «интегрины». Но есть и клеточный «клей» в виде так называемого биссуса. Так в Элладе называют лен и его волокна. Биссус, волокна которого сродни коллагеновым, то есть буквально клеерождающим, которыми богаты сухожилия и хрящ, выделяется двустворчатыми мидиями и усоногими рачками балянусами (морскими желудями).

Продукту, сообщение о создании которого помещено на страницах журнала Science, позавидовали бы даже мидии. Новое вещество не только прочное, но и растяжимое. Его создатели отталкивались от хорошо знакомого и широко применяющегося в памперсах и прокладках гидрогеля из волокон полиэтиленгликоля (PEG), для усиления связей которого добавили железосодержащий катехол.

Катехолы представляют собой ароматические спирты, обладающие сильными восстановительными свойствами. PEG с добавлением катехола трудно разорвать – прочность увеличилась в 60 раз. Но в то же время материал остается растяжимым на 50%, что позволяет заделывать им самые разные дефекты, в том числе и дефекты в костях. Авторы назвали свою разработку упрочнением эластомера, «инспирированного» биссусом мидий.

Биовдохновение двигало и сотрудниками Университета Тафтса (США), внесшими усовершенствования в продукт коллег. Вместо гидрогеля в Бостоне использовали клейкий фиброин, капли которого присутствуют на нитях паучьего шелка, что помогает паутине удерживать жертву. Благодаря этому ученые получили клеящий адгезив, по своим свойствам намного превосходящий известные промышленные клеи. В качестве армирующего усилителя были добавлены полидофамин и хлористое железо, при этом склеивание достигается за 30 секунд.

Волокнистые материалы могут использоваться при лечении («заклеивании») кожных ран и даже регенерации волосяных мешочков-фолликулов, о чем сообщает статья в журнале Advanced Science. Достигается это за счет привлечения к ране иммунологически активных Т-лимфоцитов, выделяющих стимулирующие клеточное деление белки.

Еще дальше пошли сотрудники Кембриджа и университетов в Итаке, штат Нью-Йорк, Вашингтона в Сент-Луисе и Гарварде. Они создали непроницаемые для иммунных клеток сетки из нановолокон, в которые поместили органоиды островков поджелудочной железы, вырабатывающие инсулин, недостаток которого приводит к диабету первого типа. Волокна, выдерживающие давление в 15 мегапаскаль, имеют диаметр менее 500 нанометров (0,5 микрона). Они получены из термопластического силикона (кремния). Расстояния между их петлями вполне достаточны для «выхода» из сеток инсулина, но в то же время малы для иммунных лимфоцитов.

Волокна могут и аккумулировать энергию. В Питтсбургском университете создали композитные метаматериалы с «самосознанием» (волокна SCMM, или Self-aware). Поглощая электроэнергию, SCMM могут увеличиваться в размерах. И этот процесс обратим. Авторы предсказывают, что созданные ими метаматериалы найдут самое широкое применение, в том числе и в костной пластике для покрытия поверхностей при реконструкции, например, тазобедренного сустава.