Ученые создали мягкий материал-хамелеон с программируемыми свойствами

Исследователям удалось создать уникальный синтетический полимер с механическими и оптическими свойствами (гибкость, деформация, изменение цвета), которые ранее не достигались.

Фото: GLOBAL LOOK PRESS.

Биологические ткани обладают сложными механическими свойствами - они мягкие, но прочные; жёсткие, но гибкие. Поэтому их трудно воспроизвести с использованием синтетических материалов. Но международная команда исследователей из США, Франции и России под руководством Сергея Шейко из Университета Северной Каролины сумела создать биосовместимый синтетический материал, который воспроизводит тканевую механику и изменяет цвет по принципу, схожим с кожей хамелеона. Статья опубликована в издании Science.

Чтобы изготовить медицинский имплантат, ученым необходимо подобрать материалы с такими же механическими свойствами, как и в биологических тканях, чтобы смягчить их воспаление или омертвение. Ряд тканей, включая кожу, стенки кишечника и сердечные мышцы, имеют особенность быть одновременно мягкими и жесткими во время растягивания.

Учёные использовали уникальный триблок-сополимер (гетерополимерное соединение, состоящее из трех блоков разного состава). Синтезировали физически сшитый эластомер, состоящий из центрального блока и двух блоков из полиметилметакрилата (конструкция напоминает ершик для мытья посуды). Они обнаружили, что тщательно выбирая структурные параметры полимера, материал следовал той же кривой деформации, что и биологическая ткань (в данном случае использовалась свиная кожа). Материал также биосовместим, поскольку он не требует добавок, например, растворителя и остается упругим при совместимости с биологическими жидкостями.

“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”, - объясняет соавтор статьи Дмитрий Иванов, руководитель лаборатории инженерного материаловедения факультета фундаментальной физико-химической инженерии МГУ имени М.В. Ломоносова.

Другое свойство материала проявилось во время экспериментов: его изменение цвета при деформации. Как рассказали ученые, это чисто физическое явление, вызванное рассеянием света от структуры полимера. Атомно-силовая микроскопия и рентгеновские дифракционные эксперименты показали, что концевые блоки этих полимеров собираются в нанометровых сферах, распределенных в щетко-полимерной матрице. Свою окраску материал меняет с синего на голубую за счет увеличения расстояния между блоками, которое приводит к изменению дифракционных свойств и смещению основного пика структурной окраски материала.

Таким образом, исследователям удалось создать уникальный синтетический полимер с механическими и оптическими свойствами (гибкость, деформация, изменение цвета), которые ранее не достигались. Открытие может привести к созданию новых медицинских имплантов или более персонализированным протезам (сосудистые имплантаты, внутриглазные имплантаты, замена межпозвонковых дисков).