Углеволокно превратили в мощные искусственные мышцы
Ученые из США и Франции создали искусственные мышцы, способные поднимать груз с массой в 12,6 тысячи раз больше их собственной. Они состоят из углеродных волокон и полимера, скрученных в спиральную нить, и приводятся в действие электрическим током, который заставляет нить сокращаться, пишут разработчики в журнале Smart Materials and Structures.
Практически все современные устройства и роботы приводят в движение электромоторы или двигатели внутреннего сгорания. Поскольку это довольно большие и сложные системы с множеством механических деталей, исследователи разрабатывают альтернативные приводы — искусственные мышцы. Несмотря на довольно большое количество разработок в этой области, многие из них сложны и дороги в производстве, имеют малую мощность.
Самех Тавфик (Sameh Tawfick) из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне и его коллеги разработали искусственные мышцы на основе углеволокна. Для их изготовления нужен пучок из нескольких тысяч переплетенных между собой углеродных волокон, напоминающий по строению паклю. Он погружается в раствор полидиметилсилоксана, а затем скручивается в нить и на сутки ставится в печь, где полимер застывает. В результате получается скрученная нить, сохраняющая свою форму без внешних воздействий.
Для того, чтобы превратить такую нить в актуатор, ее снова скручивают и превращают в спираль. После этого через нее пропускают электрический ток, который разогревает нить и заставляет ее расширяться. Из-за этого угол закрутки самой нити увеличивается, что приводит к увеличению угла закрутки спирали из этой нити, а значит заставляет ее сокращаться. Такого же эффекта можно добиться без электричества, смочив нить гексаном, который использовался для растворения полимера при создании нити.
Ученые выяснили, что нить сокращается достаточно сильно, чтобы ее можно было использовать качестве электрического актуатора. Он может сокращаться на четверть и выдерживать нагрузки до 60 мегапаскалей. Помимо этого, они могут поднимать груз с массой, превышающих их собственную в 12600 раз. Ученые продемонстрировали способности своей разработки на видео. В конце записи можно видеть, как нить массой 1,6 грамма поднимает бутылку с водой массой 1,9 килограмма:
В 2016 году американские ученые смогли превратить нейлоновую рыболовную леску в искусственные мышцы, которые могут не только менять свою форму вдоль, но и изгибаться в разные стороны. Их можно приводить в действие лазером и за счет этого управлять направлением движения конкретных областей.
Григорий Копиев
Он хорошо активировал остеогенные клетки
Норвежские ученые разработали прототип костного трансплантата из аморфного фосфата кальция, который они получили из гидроксиапатита и яичной скорлупы. Он показал крайне хорошую иммуносовместимость и активацию остеогенных клеток в тканевых моделях. Исследование опубликовано в журнале Smart Materials in Medicine. В качестве трансплантата для замещения дефектов кости можно использовать кусок другой кости того же человека (аутологичный трансплантат), другого человека (аллогенный трансплантат), животного (ксеногенный трансплантат) или синтетические материалы. Несмотря на то, что аутогенные и аллогенные костные трансплантаты — золотой стандарт в таких операциях — содержат белки и клетки, которые способны формировать новую костную ткань, ограниченное количество доноров и риск переноса инфекции, равно как и техническая сложность аутогенной трансплантации, ограничивает применение этих методов. Изготовление ксеногенных полусинтетических трансплантатов сопряжено с высокими затратами на изготовление и с большими объемами медицинских отходов. Хаавард Йостейн Хауген (Håvard Jostein Haugen) из Университета Осло вместе с коллегами придумал концепцию синтетического костного трансплантата, который должен решить все эти проблемы. Они разработали метод изготовления аморфного фосфата кальция — основы искусственного синтетического костного трансплантата — с помощью синтетического гидроксиапатита и яичной скорлупы. Для этого яичную скорлупу сначала нагревали до 900 градусов Цельсия в течение часа, чтобы избавиться от органического компонента и превратить карбонат кальция (CaCO3) в оксид кальция (CaO). Полученные 5,55 грамма оксида кальция добавляли к 600 миллилитрам деионизированной воды и перемешивали со скоростью 200 оборотов в минуту. Затем к полученной суспензии добавляли 12,47 миллилитра раствора H3PO4, снова перемешивали с большей скоростью и вливали 91,5 миллилитра гидроксида натрия. Выпавший белый осадок фильтровали и промывали, а затем в пластиковых контейнерах погружали в жидкий азот. Физико-химические свойства полученного аморфного фосфата кальция оказались схожи с контрольным гидроксиапатитом, однако в экспериментальной версии ученые наблюдали большую устойчивость к рекристаллизации, которая затрудняет процесс приживления искусственной ткани к живой. Кроме того, цитотоксичность и гемолитическая активность частиц экспериментального фосфата кальция была не выше (а в некоторых тестах даже ниже), чем у контрольного материала. Также он проявлял достаточную иммуносовместимость. В двух- и трехмерных моделях мышиного зубного сосочка — эмбрионального зачатка зуба — частицы экспериментального фосфата кальция проявляли лучшую, по сравнению с контролем, активацию остеогенных клеток, которая оценивалась по экспрессии белков, ответственных за построение внеклеточного матрикса костной ткани (как органического, так и неорганического). Благодаря этому модели начинали приобретать структуру, напоминающую костную ткань. Это исследование показывает, что у яичной скорлупы как источника аморфного фосфата кальция есть потенциал использования в качестве костного полусинтетического трансплантата. При этом при его производстве практически не остается отходов. Если дефект кости небольшой, то можно воспользоваться титановыми пластинами в качестве имплантатов. Ученые придумали, как усовершенствовать их: они нанесли на них биопленку из бактерии Lactobacillus casei. Это помогло усилить регенерацию кости и защитить ее от метициллинрезистентного золотистого стафилококка.