Химики создали искусственные сухожилия

Ximin He / Nature, 2021

Американские химики создали полимер, сравнимый по прочности, эластичности и долговечности с настоящими сухожилиями. Для этого они сначала заморозили раствор поливинилового спирта, а потом поместили его в солевой раствор. В итоге получилась пористая структура похожая на пчелиные соты, механические характеристики которой сильно превосходят уже известные аналоги, а изменение начальных условий позволяет настраивать свойства итогового материала. В будущем такие материалы можно будет использовать в качестве искусственных сухожилий и соединительной ткани, говорится в статье, опубликованной в Nature.

В природе соединительные ткани и сухожилия проявляют огромную прочность и устойчивость даже если проходят более миллиона циклов деформации в год. Для создания материалов, подобных соединительным тканям, существует множество подходов. Среди них двойное кросс-сопряжение (мостики между полимерными цепями), создание самоорганизующихся полимеров и полимеров с нанокристаллическими доменами. Эти подходы сосредоточены на свойствах самих молекул. 

Помимо них предпринимаются попытки придать уже известным полимерам нужные структурные и механические свойства. Для этого используют литье с вымораживанием, механическое растяжение, создание композитных полимеров и так далее. Но пока искусственные материалы не могут сравниться с природными соединительными тканями ни по прочности, ни по долговечности.

Группа ученых под руководством Симаня Хэ (Ximin He) из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработала пористый материал из поливинилового спирта, который сочетает в себе механические свойства, присущие природным полимерам. Для этого они заморозили раствор поливинилового спирта, после чего погрузили в раствор космотропного электролита — цитрата натрия. Последний способствует возникновению и стабилизации водородных связей между полимером и молекулами воды. Благодаря этому полимерные цепи упаковываются более плотно. 

В результате получилась пористая структура, подобная пчелиным сотам: полимерные цепи выстроились параллельно друг другу, образуя тонкие тоннели с водой. Авторы провели эксперименты сравнения, вырастив полимеры только вымораживанием или только высаливанием. Полученные таким образом полимеры сильно уступили по механическим свойствам эталонным образцам. Оказалось, что полимеры полученные вымораживанием без высаливания образуют структуру пчелиных сот, но она не получается пористой. А высаливание без вымораживания вообще приводит к беспорядочной структуре геля, не образуя ни пористости, ни нужной структуры.

Полученный материал имеет ярко выраженные анизотропные свойства: он имеет очень высокую жесткость в направлении, параллельном полимерным цепям. Она составила 175±9 мегаджоулей на кубический метр. Описанные до этого полимеры такого типа имеют жесткость порядка 40 мегаджоулей на кубический метр и ниже. Максимальное растяжение полученного материала составило рекордные 2900 процентов от изначальной длины, тогда как в предыдущих работах это значение составляло максимум 800 процентов. Причем при растяжении полученного авторами материала не наблюдается появления или увеличения разрывов и трещин, даже заранее сделанные надрезы не распространяются дальше в структуру материала.

Варьирование изначальной концентрации поливинилового спирта позволяет получать материалы разной прочности и растяжимости. Так, при концентрациях спирта 2, 5, 10, 20 процентов, получаются образцы с пределами прочности 23,5±2,7, 16,1±1,8 и 11,5±1,4 мегапаскалей соотвественно. А растяжимость при этом составляет 1400±200, 1800±330 и 2900±450 процентов. При этом для самого жесткого образца, предел усталости составил 10,5±1,3 килоджоуля на квадратный метр, что превышает пределы других аналогов минимум в восемь раз. Авторы провели более 30000 циклов растяжения сжатия и не увидели ни появления новых разрывов, ни увеличения уже существующих. Согласно ранее проведенным исследованиям на людях, нагрузка на сухожилия голени может составлять до 25,0±2,5 мегапаскалей.

Природные соединительные ткани, из которых состоят сухожилия, обладают уникальными механическими свойствами, которые до сих пор не удалось повторить в искусственных материалах. Но если использовать живые клетки, то суставам тоже иногда удается придать дополнительные преимущества. Например, недавно биологи создали ткань, которая сама вырабатывает противовоспалительное вещество для лечения остеоартрита.

Егор Длин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.