Что такое гематоген в мире композитов
С появлением синтетических полимеров, выпускаемых промышленным путем, экологическая ситуация в мире стала заметно ухудшаться, и сегодня этот процесс продолжает набирать темпы. Можно ли его остановить? Для этого человечеству необходимо перейти на более безопасные для природы биоразлагаемые материалы, способные предотвратить накопление мусора на планете. Что это могут быть за материалы? Возможно, ответ на этот вопрос следует искать в относительно недавнем прошлом, когда люди для самых разных целей, в том числе для производства композитных материалов, применяли натуральное сырье, например кровь.
Около 60 процентов растворимых белков крови составляет сывороточный альбумин — «молекула-такси», как ее иногда называют за способность связываться с молекулами как органической, так и неорганической природы и выполнять их транспорт в крови и межклеточной жидкости. Одна молекула альбумина может одновременно связать 25—50 крупных молекул билирубина — продукта расщепления некоторых белков.
Возможность «прилеплять» разные по химической природе вещества определяется наличием в молекуле белка множества разнообразных функциональных групп и липофильных частей.
Это свойство альбумина позволило первым предприятиям по производству сахара использовать кровь для очистки первичного сахарного сиропа.
Кровь оказалась самым дешевым среди возможных реагентов, так как обходилась в 35 раз дешевле популярного на тот момент угля, но не уступала ему по эффективности очистки. На 60 килограмм сырого сахара требовался всего лишь литр свежей крови. Альбумин из плазмы крови при кипении с неочищенным сахарным сиропом сворачивался и сорбировал ненужные гидрофобные примеси и твердые коллоидные частицы.
В такой очистке важным этапом является процесс необратимой денатурации — потери белком исходной конформации, в результате которого он перестает растворяться в воде. Но и уже свернутому альбумину нашлось отличное применение в промышленности.
В 1855 году парижский писатель Франсуа Лепаж (Francois Lepage) придумал так называемую «твердую древесину» (bois durci) — спрессованную смесь опилок с кровью крупного рогатого скота или более дорогих яичных белков, по виду напоминающую черное дерево.
«Твердую древесину» получали путем смешения древесной муки с 15-20 процентами по массе свежей крови. Кашицу нагревали до температуры 45 градусов Цельсия, выпаривая лишнюю влагу. Затем полученный порошок насыпали в железную форму, полчаса давили прессом и нагревали раскаленным до красна металлом примерно до 150-200 градусов Цельсия. Готовый материал окунали в воду.
Для производства одного килограмма «древесины» по такой технологии, требовалось всего около 130 миллилитров жидкой крови.
Исследования термодинамики свертываемости альбумина показывают, что перед тем, как окончательно и бесповоротно (необратимо) денатурировать, он проходит через промежуточную обратимую стадию. На этой стадии длинная свернутая молекула белка разворачивается и соединяется с несколькими соседними такими же молекулами. Образуется так называемый олигомер — цепь из нескольких белковых звеньев.
Такой раствор гуще исходного состояния альбумина, так как некоторые связи между молекулами стали намного прочнее, но еще не окончательно затвердевший. При температуре выше 74 градусов Цельсия олигомеры соединяются друг с другом и полученные цепочки удобно укладываются и образуют единую белковую сетку, после чего перевести белок обратно в растворимое состояние уже невозможно.
Воду на предприятиях по производству «твердого дерева» удаляли не зря, так как белок в безводной среде денатурирует более полно и потери ценного альбумина оказываются минимальны.
В 1859 году Альфред Лэтри (Alfred Latry) купил у Лепажа патент и основал компанию по производству чернильниц, табличек, картинных рам и мебели. Уже в 1862 году он представил свою продукцию на международной выставке.
Неизвестно точно, когда производство «твердого дерева» в Париже остановилось, но в 1883 году члены семьи Хунебелле основали еще одну фабрику по производству «кровавого» композита на востоке Франции, в Сезанне. До пожара в 1926 году там изготавливали декоративную продукцию из «твердого дерева» в стилях Belle Epoque и Art Nouveau.
В 1892 году в январском выпуске американского журнала Manufacturer and Builder вышла статья об изобретении доктора У.Х. Диббла (W.H. Dibble) из Трентона, штат Нью-Джерси, на которое он получил патент еще в 1877 году.
Речь шла о промышленном производстве дешевого, прочного, стойкого к температурным и атмосферным колебаниям материала. Хотя гемацит (hemacite), как назвал свое изобретение доктор Диббл, представлял из себя смесь крови с опилками и химическими добавками, полученную под давлением 40 тысяч фунтов на квадратный дюйм, изделия из него выходили довольно приятными на вид и на ощупь.
Компания Dibble's Hemacite Manufacturing Company производила из гемацита материалы для внутренней отделки помещений, дверные ручки, кнопки для кассовых аппаратов, а потом и колеса для роликовых коньков. Можно сказать, что гемацит был аналогом современного пластика.
Однако такой полимер отличался от синтетических тем, что под действием ферментов мог разлагаться на низкомолекулярные вещества, а под давлением или под действием химических веществ — и вовсе переходить в исходное водорастворимое состояние, то есть ренатурировать. Можно сказать, что Дибблу удалось создать настоящий биоразлагаемый композитный материал.
Кстати, изобретатель «кровавого» композита вообще был довольно предприимчивым и талантливым человеком. До работы над гемацитом Диббл запатентовал стоматологическое приспособление, позволявшее держать рот пациента открытым и в то же время высасывать из полости рта слюну.
К началу ХХ века Dibble's Hemacite Manufacturing Company пережила пожар на производстве, переезд в другое здание и смену названия. Подкосило ее лишь появление еще более дешевого синтетического материала — бакелита, запатентованного в 1909 году Лео Баккеландом, через год основавшим компанию Bakelite Corporation.
Тем не менее изделия из гемацита до сих пор находятся в рабочем состоянии, и их даже можно купить.
Как уже говорилось, в структуру альбумина входит множество различных функциональных групп, которые могут образовывать слабые, но многочисленные связи с различными молекулами.
Под действием щелочи, например гашеной извести, белок приобретает высокий заряд, его конформация изменяется, макромолекулы белка «распрямляются» и укладываются друг относительно друга так, что раствор густеет и становится липким. Это свойство позволяет предположить, что альбумин может стать хорошим клеем.
Большое число гидроксильных групп в составных веществах древесины образуют водородные связи с заряженными центрами белка. Таких связей образуется достаточно много, чтобы альбуминовый клей мог надежно прикрепиться к деревянной поверхности. Но для того, чтобы поверхности не расклеились, силы взаимодействия между молекулами альбумина тоже должны быть достаточно сильными. Для этого склеенные изделия подвергают действию высоких температур, в результате чего белок денатурирует и клей твердеет.
В 1913 году американский изобретатель Генри Хаскел (Henry L. Haskell) использовал адгезивные свойства сывороточного белка и изобрел гидрофобный клей из бычьего альбумина, способный склеивать фанерные листы.
Материал был назван хаскелитом в честь изобретателя и производился компанией Haskell Manufacturing в Мичигане. Из него делали самолеты, лодки, понтоны, двери, полы, крыши и другие конструктивные элементы.
Во время Первой мировой войны работники фабрики снабжали хаскелитом американскую, британскую и французскую армии. Около 0,5 квадратного километра материала пошло на производство военных самолетов.
После 1930 года компания уже продавала фанеру с дополнительными слоями из стали, алюминия или меди, причем для ее производства использовались различные фенольные смолы.
Кровь рогатого скота издавна использовали для изготовления разных видов «цемента», которые могли содержать не только бычий альбумин, но и белки из яиц, молока и сыра.
В одном из древних китайских рецептов такого цемента рекомендовано смешать 100 частей гашеной извести, 75 частей крови быка и две части квасцов. Взаимодействуя с квасцами, кальций образовывал из извести сульфат, который мог затвердевать в естественных условиях, образуя кристаллогидрат, а денатурированные белки играли роль связующего компонента.
Ученые нашли следы крови и в материалах стен древнего города Мира (Myra), возведенных во времена Римской империи. Сооружению удалось простоять до наших дней благодаря гемоглобину, который, захватывая кислород, стимулировал образование небольших пузырьков, укреплявших «кровавый» бетон.
Вовлечение воздуха в бетон, как сейчас называют такую процедуру, увеличивают устойчивость бетона к внутренним расширениям. Мелкие пузырьки размерами до одного миллиметра, которые при соблюдении технологии равномерно заполняют бетон, повышают его стойкость к климатическим изменениям и появлению трещин, снижая внутреннее трение в бетоне.
Сами римляне вряд ли догадывались об этом, но французский изобретатель Шарль Лалеман (Charles Laleman) понял, что именно гемоглобин способствует снижению как веса бетона, так и его теплопроводности (вовлечение пузырьков воздуха, плохо проводящего тепло, повышает изолирующие свойства материала в целом). В 1980 году он запатентовал технологии производства цемента, бетона и известкового раствора из высушенной крови животных.
Через десять лет соотечественник Лалемана Жорж Казаленс (Georges Cazalens) продолжил и развил его технологии.
Джон Норман (John Norman) из штата Огайо еще в 1909 году придумал строительный материал из костей, цемента, асбеста и крови.
Тремя годами позднее Конрад Стайнбо (Conrad Stinebaugh) предложил добавлять в цемент только кровь. Изобретатель заметил, что при смешивании сухого цемента с кровью вода из плазмы расходуется на реакцию с цементом, а оставшиеся компоненты крови распределяются по объему в виде небольших гелевых частиц. Стайнбо считал, что эти частицы заполняют пустоты, которые без этой добавки образуются в бóльшем количестве.
А совсем недавно, в 2012 году, британcкий архитектор Джек Манро (Jack Munro) в своей магистерской работе описал технологию создания кирпичей из крови коров. Возмутившись тем, что почти все здания сегодня возводятся из железобетона, который не всегда доступен в бедных странах, он нашел альтернативный стоительный материал.
Обсудив идею с фермерами, Манро взял около 30 литров свежей крови, которую может получить из одной коровы, и смешал ее с антикоагулянтом ЭДТА для предотвращения свертывания, консервантом — азидом натрия, чтобы кровь не испортилась, и наполнителями — песком и водой. Получившуюся смесь архитектор залил в формы и обжигал кирпичи в сушильном шкафу при температуре 70 градусов Цельсия.
Антикоагулянт не давал образовываться фибрину при контакте крови с воздухом, иначе она стала бы вязкой и менее текучей, сворачиваясь комками прямо в кирпиче. Азид натрия препятствовал распространению микроорганизмов, но не менял консистенции крови, что делало его отличным консервантом.
Британский архитектор лишь подтвердил древний рецепт в современных условиях. Его технология требует дальнейших улучшений по обжигу, варьированию соотношений компонентов и оптимизации процесса.
Однако у «кирпичей из крови» есть и существенный недостаток — они обходятся довольно дорого. В зависимости от количества используемого песка из крови одной коровы можно получить до четырех кубических дециметров материала, то есть один квадратный кирпич размерами 16х16х16 сантиметров.
Чтобы построить стену высотой два метра, длиной пять метров и толщиной в один такой кирпич, понадобится кровь примерно 400 коров, а закупать сывороточный альбумин для строительства стен совершенно не целесообразно. Поэтому жизнеспособность идеи Манро в промышленных объемах весьма сомнительна.
Именно по этой причине эти и другие изобретения, связанные с применением крови, в конечно счете проиграли более индустриальным материалам, прежде всего синтетическим полимерам. Конечно, использовать кровь было бы предпочтительней с экологической точки зрения, так как биополимеры из денатурированных белков легче поддаются переработке и разложению на низкомолекулярные вещества. Однако на сегодняшний день экономичность все еще берет верх над экологичностью.
Алина Кротова