Новое исследование, проведенное Институтом биоинженерии Каталонии (IBEC), представило первый биоматериал, который не только водонепроницаем, но и становится прочнее при контакте с водой. Материал получен путем включения никеля в структуру хитозана, хитинового полимера, получаемого из отходов панцирей креветок. Разработка этого нового биоматериала знаменует собой отход от подхода эпохи пластика, предполагавшего создание материалов, которые должны изолироваться от окружающей среды для обеспечения хороших характеристик. Вместо этого, исследование показывает, как экологически чистые материалы могут взаимодействовать с окружающей средой и использовать ее ресурсы, применяя окружающую воду для достижения механических характеристик, превосходящих обычные пластмассы.
Пластмассы стали неотъемлемой частью современного общества благодаря своей прочности и водостойкости. Однако именно эти свойства превращают их в постоянных нарушителей экологических циклов. В результате непереработанный пластик накапливается в экосистемах и становится все более распространенным компонентом глобальных пищевых цепей, вызывая растущую обеспокоенность по поводу потенциального воздействия на здоровье человека.
В попытке решить эту проблему уже давно изучается возможность использования биоматериалов в качестве заменителей традиционных пластмасс. Однако их широкое внедрение ограничено фундаментальным недостатком: большинство биологических материалов ослабевают при воздействии воды. Традиционно эта уязвимость вынуждала инженеров полагаться на химические модификации или защитные покрытия, тем самым подрывая преимущества решений на основе биоматериалов с точки зрения устойчивого развития.
Недавнее исследование, проведенное Институтом биоинженерии Каталонии (IBEC) в сотрудничестве с Сингапурским университетом технологий и дизайна (SUTD), опровергло эту парадигму. Вдохновленные кутикулой членистоногих, исследователи адаптировали хитозан — вторую по распространенности органическую молекулу на Земле после целлюлозы — для создания биоинтегрированного материала, который устойчив к гидратации и при намокании приобретает прочность, значительно превышающую прочность обычных пластмасс.
Метод, опубликованный в журнале Nature Communications, демонстрирует потенциал для кардинального изменения парадигмы в производстве, позволяющего создавать безотходные изделия как из расходных материалов, так и из крупных предметов, способные удовлетворить мировой спрос на пластик.
Важно отметить, что этот процесс не изменяет биологические свойства хитозана.
«В глазах природы этот материал по-прежнему биологически чист; он остается по сути той же молекулой, что и в панцирях насекомых или грибах», — объясняет Хавьер Г. Фернандес, научный сотрудник ICREA в IBEC, руководитель группы биоинтегрированных материалов и инженерии и лидер исследования. Эта чистота позволяет беспрепятственно интегрировать его в естественные экологические циклы.
Смена парадигмы, вдохновленная природой.
По словам Фернандеса, большинство современных материалов, от пластмасс до биополимеров, разработаны таким образом, чтобы выдерживать воздействие окружающей среды.
«Более века мы считали, что для выживания в природе материалы должны стать инертными, — говорит он. — Это исследование показывает обратное: материалы могут процветать, взаимодействуя с окружающей средой, а не изолируясь от нее».
Исследование было вдохновлено случайным наблюдением: когда из клыков песчаного червя Nereis virens удаляют цинк, клыки становятся восприимчивыми к увлажнению и размягчаются при погружении в воду. Это открытие предполагает, что металлы могут играть ключевую роль в том, как природные материалы взаимодействуют с водой.
Хотя известно, что металлы укрепляют биологические структуры, исследователи предположили, что они также могут контролировать гидратацию материалов на основе хитина — природного полимера, содержащегося в панцирях ракообразных. Для проверки этой теории команда сосредоточилась на никеле, природном микроэлементе, который легко взаимодействует с хитином и растворяется в воде.
Исследовательская группа включила никель в хитозан — материал, полученный из хитина, который извлекается из отходов креветочных панцирей, — и переработала его в тонкие пленки. Они сообщают, что материал становится прочнее при погружении в воду, демонстрируя увеличение прочности до 50% после погружения.
В новом материале вода становится активным структурным компонентом. Динамическая сеть слабых, обратимых связей постоянно разрывается и восстанавливается благодаря подвижности ионов никеля и окружающих молекул воды. Эта постоянная микроскопическая перестройка позволяет материалу поглощать напряжение и реорганизовываться, имитируя поведение природных биологических структур.
