Материаловеды МГУ проверили «искусственную кожу» на прочность

Международная группа ученых с участием руководителя лаборатории инженерного материаловедения МГУ профессора Дмитрия Иванова исследовала механические свойства нового уникального полимерного материала, который в перспективе может стать искусственным аналогом человеческой кожи. Результаты работы опубликованы в журнале Central Science.

Профессор Дмитрий Иванов покинул Россию в середине 1990-ых и за четверть века сделал успешную карьеру в европейской науке: после нескольких лет работы в Свободном университете Брюсселя (ULB) он в 2005 году возглавил Институт материаловедения в городе Мюлуз (Франция), который относится к ведению Национального научного центра Франции (CNRS). В 2011 году ученый выиграл мегагрант на создание новой научной лаборатории на факультете фундаментальной физико-химической инженерии МГУ и с тех пор участвует в научных проектах обеих стран — России и Франции. После окончания мегагранта в 2015 году лаборатория инженерного материаловедения успешно продолжает исследования, регулярно получая поддержку РФФИ, РНФ и Федеральной целевой программы «Исследования и разработки». Работа, которую группа профессора Иванова развивает последние пару лет, посвящена, в том числе, исследованию механических свойств биосовместимых полимерных материалов.

В 2018 году в журнале Science Дмитрий Иванов и его коллеги опубликовали статью, в которой заявили о создании синтетического аналога кожи хамелеона, реагирующей на механические воздействия изменением цвета и прочностных свойств. По мнению экспертного совета РНФ, исследование вошло в список самых значимых работ российских ученых за 2018 год. Затем группа профессора Иванова продолжила исследования механических свойств синтезированного материала. В новой работе ученым удалось впервые создать уникальную синтетическую платформу для дизайна материалов, воспроизводящих один в один деформационные свойства целого ряда мягких живых тканей.

«Кожа обладает уникальными свойствами — она одновременно мягкая и упругая при соприкосновении», — рассказал профессор МГУ Дмитрий Иванов. Однако при растяжении она резко упрочняется — нарушить целостность кожного покрова можно только очень сильным механическим воздействием. Такой защитный механизм был выработан в процессе эволюции. Воспроизвести в синтетических материалах мягкость живой ткани и в тоже самое время значительное упрочнение при деформации до сих пор не удавалось. Между мягкостью и прочностью всегда приходится выбирать что-то одно. Гидрогели, к примеру, очень мягкие сами по себе. Но гидрогелю не достает механической прочности, его форма и механические свойства сильно зависит от количества влаги — в организме при избытке физиологической жидкости он может набухнуть и лопнуть.

Исследователи из МГУ совместно с коллегами из США придумали новый уникальный сополимерный материал — сложную молекулу, состоящую из нескольких частей, способную к самосборке. На длинную часть молекулы привиты молекулярные ворсинки — так, что система напоминает ёршик для чистки бутылок. На концах «ершика» находятся терминальные участки — молекулы отличного от основной цепи химического состава. При самосборке полимера терминальные участки образуют стекловидные очень прочные нано-шарики, а длинные цепи «бутылочного блока» образуют сетку, погруженную в среду «ворсинок». Материал, состоящий из таких щёток, изначально вполне эластичный, при деформации может очень быстро упрочняться.

В новой работе, результаты которой опубликованы в журнале Central Science, исследователи изучили механизм деформации полимера: определили механические параметры вытягивания «бутылочной щетки» в зависимости от длины «ворсинок».

«Щеточный блок с более длинными боковыми ворсинками дает более выраженное деформационное упрочнение — так называемый эффект волейбольной сетки, которую легко развернуть, но невозможно деформировать. Щетки с разной длиной ворсинок интересны, потому что они могут воспроизводить механику разных биологических тканей», — прокомментировал результаты исследования Дмитрий Иванов.

Исследователи показали, что присутствие этих полимеров в биологической среде не препятствует размножению и пролиферации клеток. «В целом, полимеры не содержат никаких цитотоксичных веществ. Кроме того, они не содержат растворителя (например, воды), что могло бы привести к неконтролируемому изменению физико-химических свойств импланта», — подтвердили ученые.

Сейчас группа Дмитрия Иванова готовится к новому этапу исследований «искусственной кожи». По словам профессора, поможет им в этом современное оборудование (в том числе рамановский микроскоп), которое установят на химическом факультете МГУ в рамках мегагранта седьмой волны.

Источник: МГУ