Новости химической науки > Шелк ручейника может стать идеей для новых материалов

Прочность, способность к расширению и способность к рассеиванию энергии адгезивного шелка, обеспечивающего стойкость «домика» ручейника может объясняться формированием самовосстанавливающейся сшивок из кальция. Исследователи США, обнаружившие это, надеются, что результаты их исследования могут оказаться полезными для разработки новых синтетических биоадгезивных материалов, способных связываться с влажными тканями.

Ручейники живут на дне ручьев с быстрым течением. Им удается выживать под водой, сопротивляясь механическому воздействию движущихся слоев воды из-за того, что эти насекомые сооружают переносные домики-убежища из всего, что только можно найти на дне водоема – маленьких камушков, палочек, осколков раковин, скрепляя эти строительные блоки своим шелком, работающим как подводная липкая лента.

Рассел Стюарт (Russell Stewart) и Николас Эштон (Nicholas Ashton) из Университета Юты установили структуру шелка ручейника и выяснили, каким образом он может обеспечивать связывание строительных блоков «защитного костюма» ручейника и противостоять приложению внешнего механического воздействия. Как заявляет Стюарт, работа с волокнами, длина которых составляла 3 мм, а толщина – 10 мкм, заставляла исследователей чувствовать себя в шкуре опытного ювелира.

Кальций-фосфатные и кальций-карбоксилатные мостики, разрушаясь, рассеивают энергию напряжения. (Рисунок из Soft Matter, 2015, DOI: 10.1039/c4sm02435d)

Растяжение отдельного волокна шелка ручейника с контролируемой силой показало, что такое волокно может быть растянуто вдвое от своей первоначальной длины. При снятии воздействия волокно не сокращается с большой скоростью так, как это происходит при эластичном растяжении, вместо этого волокно самопроизвольно восстанавливает свою форму, длину, прочность и жесткость, делая это медленно, но упорядоченно за счет восстановления поперечных сшивок, формирующихся с участием ионов Ca²⁺, связанных с двумя различными типами анионов – фосфатами и карбоксилатами.

Такая перестройка поперечных сшивок позволяет рассеять энергию напряжения и, после снятия нагрузки, постепенно перестроить структуру таким образом, чтобы максимально приблизиться к состоянию, в котором она была до приложения нагрузки. Таким образом, волокна выполняют роль шок-абсорберов, обратимо абсорбируя и рассеивания энергию, что позволяет ручейнику сохранить целостность своего «домика».

Специалист по химии полимеров Али Диножвала (Ali Dhinojwala) из Университета Аркона (США) отмечает, что результаты работы демонстрируют важную роль, которую играют кальциевые мостики в обеспечении прочности биополимеров. Он добавляет, что результаты работы могут оказаться важными для дизайна синтетических гидрогелей, которые вполне могут превзойти природные аналоги.

Последняя возможность, по словам Стюарта, обуславливается тем, что у живых организмов есть весьма скромная ресурсная база для работы над своими технологиями, человечеству же доступно гораздо большее количество материалов. Стюарт уверен, что результаты его работы позволят разработать практичные и дешевые синтетические материалы, более эффективные, чем природный шелк ручейника.

Источник: Soft Matter, 2015, DOI: 10.1039/c4sm02435d

метки статьи: #аналитическая химия, #биохимия, #супрамолекулярная химия, #химия полимеров