Синтетический гель имитирует самовосстановление ящериц

На фото желтоголовый карликовый геккон с регенерированным хвостом ≈ источник вдохновения создателей самовосстанавливающегося материала

(фото Muhammad Mahdi Karim).

Компьютерная модель процесса восстановления нового материала после удаления его части

(иллюстрация Xin Yong et al.).

Создатели фантастических фильмов чрезвычайно неравнодушны к сюжетам, в которых у персонажа на глазах изумлённой публики отрастает только что отрубленная часть тела. Мы привыкли относиться к подобным явлениям скептически, однако, как продемонстрировала группа исследователей из университета Питтсбурга (University of Pittsburgh), напрасно.

Команда инженеров разработала вычислительные модели, которые помогут создать новый полимерный гель, позволяющий комплексным материалам самостоятельно восстанавливать свою структуру. В своих изысканиях учёные вдохновлялись процессами, которые происходят в организме земноводных или амфибий при регенерации утерянных конечностей.

В пресс-релизе университета ведущий автор исследования доктор Анна Балаз (Anna Balazs) называет эти биологические процессы "прекрасным динамическим каскадом". Суть в том, что регенерация конечностей амфибий условно сопровождается тремя наборами команд: инициация процесса восстановления, нарастание ткани до первоначальной формы и окончание процесса регенерации.

То есть при создании синтетического материала, способного повторить этот динамический каскад "биологических событий" необходимо разработать систему, которая сначала будет ощущать удаление материала, инициировать возобновление его роста, затем поддерживать нарастание до желаемого размера и сама завершит процесс.

На фото желтоголовый карликовый геккон с регенерированным хвостом ≈ источник вдохновения создателей самовосстанавливающегося материала
(фото Muhammad Mahdi Karim).

Главной задачей для инженеров была разработка транспортной системы, подобной крови животного, которая переносит все необходимые компоненты для регенерации.
В результате исследователи создали гибридный материал, который состоит их наностержней, внедрённых в полимерный гель, окружённый раствором. Последний содержит мономеры и молекулы, необходимые для сшивания полимерных цепей между собой.

При удалении части материала наностержни, оказавшиеся вблизи разрыва выступают в роли датчиков и мигрируют к обнажившейся поверхности, начиная выступать над ней. Удерживаются они при этом за счёт полимерных "юбок" на конце. Наностержни выступают инициаторами процесса полимеризации во внешнем растворе.

Разработанные вычислительные модели содержат набор инструкций по управлению процессом полимеризации, так что новый гель обладает такими же свойствами, что и его удалённый предшественник. В моделях также учтены все сложные химические реакции, составляющие процесс регенерации в живом организме.

По мнению разработчиков, самым сложным было проектирование наностержней, которые в зависимости от стадии процесса восстановления выполняют различные функции.

Компьютерная модель процесса восстановления нового материала после удаления его части
(иллюстрация Xin Yong et al.).

В дальнейшем команда исследователей планирует улучшить взаимодействие между старым и новым гелями. Для укрепления этих связей учёные планируют почерпнуть идеи у другого природного объекта – гигантской секвойи. Одиночное дерево обладает поверхностной корневой системой. Но если секвойи растут группой, то они сплетаются корнями, что способствует их мощному росту.

"Регенерация синтетического материала — это один из Святых Граалей науки о материалах, — отмечает доктор Балаз. – Разные группы исследователей создают материалы, способные восстанавливать мелкие дефекты, однако на данный момент не было опубликованных работ, которые демонстрировали бы способность самовосстановления отрезанных частей".

Доктор Балаз считает, что новейшая разработка её группы поможет потенциально продлить срок службы материалам, давая им возможность буквально заново "отрастить" повреждённый участок. В качестве возможных областей применения исследователи называют разработку бронежилетов или создание покрышек, а также лакокрасочных покрытий нового поколения.

Более подробно с разработкой американских инженеров можно познакомиться, прочитав статью, опубликованную в журнале Nano Letters.

Также по теме:
Сходство с земноводными: биологи изучили регенерацию конечностей у человека
Новые данные о генах обещают регенерацию головы даже у человека
Обезглавленные черви заново отрастили голову и восстановили воспоминания
Голландские специалисты создали самовосстанавливающийся бетон
Инженеры создали самовосстанавливающийся электронный чип
Представлена новая технология регенерации волос