Естествознание

Кожа хамелеона придаст биоимплантам личные характеристики

Профессор Д.А. Иванов, лаборатория инженерного материаловедения МГУ

Учёные из лаборатории инженерного материаловедения МГУ создали аналог кожи хамелеона. То есть, они сумели повторить в полимере нечто мягкое и гибкое, соединив между собой хитрые макромолекулы с центральной молекулой наподобие щётки. Благодаря конструкции, материал нового поколения имеет возможность самонастройки на нужные характеристики и приобретает большую прочность при растяжении и изменении цвета. А это и есть самые желанные свойства кожи хамелеонов, которые необходимы полимерам нового поколения для применения, например, в качестве биоимплантов.

Культурно-политический журнал “Э-Вести” обратился к руководителю лаборатории Дмитрию Иванову. Учёный, перед лабораторией МГУ возглавлявший Институт материаловедения во Франции и посвятивший четверть века этой проблеме, согласился поделиться с читателями подробностями о своих разработках.

ЭВ: Дмитрий, скажите, пожалуйста, почему кожа хамелеона заинтересовала Вас настолько, что Вы ей посвящаете столько усилий?

Иванов Д.А.: Кожа хамелеона в данном случае интересна потому, что являет собой классический пример мягкой живой ткани, которая сочетает в себе некоторые очень важные ее черты, а именно характерные механические и оптические свойства. При этом до последнего времени воспроизвести такие свойства с помощью синтетических материалов не представлялось возможным.

Действительно, если рассматривать более подробно механические свойства кожи, то можно заметить, что кожа (в частности, кожа человека) очень мягкая в исходном, недеформированном состоянии, очень быстро и существенно упрочняется при удлинении. При этом такой параметр, как механический модуль, может возрастать на порядок. Подобное сочетание мягкости и упрочнения при деформации обычные синтетические материалы воспроизвести не могли. Кроме того, кожа хамелеона имеет характерную структурную окраску, обусловленную феноменом дифракции видимого света.

Экспериментальная установка для одновременных измерений механических и структурных параметров кожи хамелеона. Фото: Дмитрий Иванов
Экспериментальная установка для одновременных измерений механических и структурных параметров кожи хамелеона. Фото: Дмитрий Иванов

ЭВ: Расскажите, пожалуйста, в чем состояла основная задача Вашего исследования? Добиться изменений цвета как у кожи хамелеона?

Иванов Д.А.: В нашем материале мы не ставили задачу точно воспроизвести элементы структуры, ответственные за окраску кожи хамелеона, а фокусировались на доказательстве принципиальной возможности создания подобных ей синтетических систем. Таким образом, в разработанных материалах нам удалось добиться сочетания характерных для живых тканей механических и оптических свойств, используя, конечно, совершенно отличные от живых тканей химические структуры.

Еще хочется добавить, что разработанные полимеры способны кодировать нужные свойства в своей химической структуре. При этом, все конечные свойства таких систем основываются только на одном типе макромолекулы, то есть мы не используем смесей разных полимеров, не добавляем пластификаторов, растворителей, и т.п. Для придания нужных нам свойств мы программируем систему с помощью нескольких структурных параметров макромолекулы, влияние которых может быть хорошо описано в рамках концепций полимерной физики.

ЭВ: Вы привлекаете других московских учёных в рамках лаборатории инженерного материаловедения? Кстати, планируете ли Вы внедрение разработок?

Иванов Д.А.: Мы достаточно оптимистично смотрим на дальнейшее развитие данного проекта, для участия в котором мы будем привлекать все больше молодых ученых из МГУ и из других вузов.

Внедрение этих разработок обязательно станет одним из наших приоритетов в будущей работе. 

Владелец природной кожи хамелеона, вдохновляющий учёных: Chamaeleo melleri
Владелец природной кожи хамелеона, вдохновляющий учёных: Chamaeleo melleri

ЭВ: Применение кожи хамелеона в качестве биоимпланта очевидно важно. Куда сегодня направлена научная мысль?

Иванов Д.А.: Я бы хотел здесь подчеркнуть общую тенденцию, существующую сегодня в медицине, а именно переход к персонализированным подходам. Если раньше для операции предлагался чаще всего только один материал импланта, к тому же не соответствующий механике мягких живых тканей, то в будущем должно стать возможным кодировать в материале импланта индивидуальные свойства тканей пациента. Именно в этом видится перспектива использования подобных систем.

Очевидно, необходимым является полное соответствие деформационных характеристик имплантов и окружающих их живых тканей. Материал импланта должен деформироваться по точно таким же законам, как и ткани. Таким образом, нужно научиться программировать не только исходный механический модуль (т.е. мягкость исходного материала), но также и свойства упрочнения материала при удлинении. Именно это и было сделано в данной работе на примере образцов кожи свиньи, механические свойства которых были точно воспроизведены на специально синтезированных образцах наших эластомеров.

 

ЭВ: Проводились ли доклинические испытания применения кожи хамелеона в качестве биоимпланта? В каких именно случаях она может применяться?

Иванов Д.А.: На сегодняшний день доклинических испытаний мы не проводили, наша работа пока показывает лишь принципиальную возможность создания синтетических полимеров, механические свойства которых точно воспроизводят свойства самых разных живых тканей.

Здесь ожидается целый спектр медицинских применений, например, для лечения заболеваний мениска, межпозвоночной грыжи, создание внутриглазных имплантов и протезов груди. Вероятно, сегодня мы даже и не представляем себе полностью все возможности практического использования этих материалов, которые откроются по мере дальнейшей работы в этом направлении.

ЭВ: Кожа хамелеона стала темой научно-популярных публикаций ещё как минимум в 2015 году, при этом каждое исследование ставит акцент на чём-то особенно важном. Например, на управлении цветом, или «умном поведении». Какой аспект был особенно важен для Вашей группы?

Иванов Д.А.: Как я отметил в ответе на предыдущие вопросы, кожа хамелеона взята как типичный пример мягкой живой ткани с характерными для нее механическими и оптическими свойствами. Надо отметить, что и в случае кожи хамелеона оптическая функция кожи не исчерпывается дифракцией видимого света, но работает так же, например, и в инфракрасном диапазоне, что, может быть, менее известно.

Однако для нас в этой работе был важен также другой аспект, а именно возможность кодировать в химической структуре макромолекулы полную информацию о деформационных характеристиках конечного материала. Это важно в перспективе практического использования таких систем.