Материал из целлюлозы многократно поменял форму от погружения в воду
Материаловеды из Германии и Китая предложили аналог пластика, которому можно придать любую форму, просто опустив в воду. Новый материал состоит из возобновляемого сырья — целюлозы. а изделия из него можно перерабатывать много раз, после причем после десяти циклов формования они даже становятся прочнее. Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Sustainability.
Ежегодно человечество производит более 360 миллионов тонн различных изделий из пластика, причем 200 миллионов тонн приходится на упаковку и другие предметы с коротким сроком использования. С переработкой пластиковых изделий у нас все еще большие трудности. Большинство популярных пластиковых материалов — ПЭТ, полиэтилен, полипропилен и некоторые другие — относятся к термопластам, то есть переходят в пластичное состояние при нагревании и снова затвердевают при охлаждении. Чтобы переработать изделия из термопластов, их нагревают до нескольких сот градусов Цельсия. Это требует больших затрат энергии, поэтому такая переработка не всегда экономически выгодна.
Китайские и немецкие материаловеды под руководством Кая Чжана (Kai Zhang) научились управлять пластичностью полимеров более простым способом — просто опуская их в воду. За основу материала Чжан и его коллеги взяли природный полимер целлюлозу. Смешав ее с хлоридом коричной кислоты в присутствии основания они получили циннамат целлюлозы (cellulose cinnamate, CCi) — полимер, в котором часть гидроксильных групп в целлюлозных фрагментах превратили в сложноэфирный фрагмент c остатком коричной кислоты. Затем из CCi изготовили прямоугольные ленты размером и толщиной 10-20 микрометров. В воде такие ленты становились гибкими и пластичными и их можно было сгибать и закручивать в любом направлении. А когда ленты извлекали, из воды пластичность снижалась и форма изделия фиксировались.
Такие свойства повышения пластичности в воде есть и у самой целлюлозы, но авторы усилили их, внедрив фрагмент коричной кислоты. Все дело в более эффективном транспорте молекул воды, который позволяет воде быстро проникать внутрь материала. После извлечения из воды молекулы так же быстро продвигаются из глубины материала к поверхности и испаряются — таким образом форма изделий быстро фиксируется.
Авторы работы изготовили из CCi лент пять изделий разной формы, которые оказались стабильны на воздухе и сохраняли свою форму в течение как минимум шестнадцати месяцев. После использования ленты можно снова сделать пластичным и придать им другую форму. Для этого не требуется нагревание — достаточно опустить изделие в воду комнатной температуры на пять минут, причем цикл с одной лентой можно повторять много раз.
Гидропластик имеет отличную механическую прочность: предел прочности на разрыв 92,4 ± 2,2 мегапаскалей, модуль Юнга 2,6 ± 0,1 гигапаскалей и удлинением при разрыве 15,2 ± 1,8 процентов. После пяти циклов формования прочность немного снижается, но затем снова идет вверх, и после десятого цикла становится даже выше, чем в начале: предел прочности на разрыв повышается до 120.9 ± 8.2 мегапаскалей, а модуль Юнга — до 3,0 ± 0,2 гигапаскалей. Такое повышение прочности вызвано релаксацией и перестройкой цепей полимера CСi. После десяти циклов прочность перестает расти и в дальнейшем остается на таком же уровне. Правда есть у Cсi и слабое место — прочность материала заметно снижается при увеличении влажности.
Чжан и его коллеги полагают, что на основе CСi можно будет создавать и другие материалы, меняющие пластичность под действием растворителей. Такие материалы смогут стать альтернативой традиционным видам пластика, особенно если удастся заменить воду на другие менее распространенные растворители.
Для того, чтобы уменьшить экологический след пластиковой упаковки ученые пробуют разные методы: не только синтезируют новые материалы, но и ищут более эффективные пути переработки для уже известных пластиков. Еще одна альтернатива термомеханической переработке пластика — химическая переработка. В этом случае молекулу полимера разбирают на составные части, превращая его в смесь мономеров. Полученные продукты можно использовать для синтеза новых полимеров или для других целей. Например, в прошлом месяце шотландские химики получили модифицированный штамм кишечной палочки Escherichia coli, который перерабатывает терефталевую кислоту, полученную из ПЭТ-бутылок, в ценное вещество ванилин.
Наталия Самойлова
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.