Любой "неживой" материал, будь то сталь, керамика, пластик или текстиль, подвержен износу и имеет ограниченный срок службы. Живые ткани тоже могут быть достаточно хрупкими, однако существуют и такие, которые способны самовосстанавливаться и со временем становиться лишь прочнее.
Например, с каждым занятием в спортивном зале тренажёры, сделанные из "неживых" материалов, изнашиваются. В то время как скелетные мышцы человека после каждой тренировки становятся лишь сильнее и крепче.
Исследователи из Университета Хоккайдо в Японии решили создать похожий полимерный материал, который становится прочнее после механических нагрузок.
Как известно, во время тренировки мышечные волокна человека частично разрушаются, а затем заменяются новыми, более сильными. При этом мышцы "питаются" аминокислотами, поступающими из кровотока: белковые "строительные блоки" объединяются и формируют новые волокна. Такой же механизм использовали исследователи в ходе новой работы.
Основой для нового материала послужили так называемые двойные сети гидрогелей. Они, как и другие гидрогели, на 85% состоят из воды. При этом материал включает два типа полимеров: первый – жёсткий и хрупкий, а второй – мягкий и тянущийся.
Подобно живым мышцам, материал частично разрушается при механическом напряжении, а затем восстанавливается в питательной среде, содержащей мономеры. Последние представляют собой небольшие молекулы, способные образовывать химическую связь с другими мономерами, формируя полимер. Они выполняют ту же функцию, что и аминокислоты, "выстраивающие" новые мышечные волокна.
По словам учёных, когда такой гидрогель растягивается, некоторые из хрупких полимерных цепей разрушаются, создавая химические частицы под названием "механорадикалы" в конце разорванных полимерных цепей. Они-то и соединяются с плавающими в питательной среде мономерами, формируя новые, более прочные полимерные цепи.
Испытания материала показали, что он прекрасно имитирует "принцип мышечного восстановления". После растяжения он становится в полтора раза прочнее, в 23 раза жёстче и на 86% тяжелее.
Примечательно, что свойства материала можно регулировать: используя термочувствительные мономеры и применяя высокие температуры, можно повысить его водостойкость.
Авторы работы уверены, что такой подход поможет разработать целый ряд инновационных материалов с длительным сроком службы для самых разных сфер применения. Одно из важнейших направлений – создание гибких экзокостюмов для пациентов с повреждениями скелета. Их прочность и функциональность будет расти по мере использования.
Научная статья с более подробным описанием нового материала опубликована в журнале Science.
Кстати, ранее авторы проекта "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали о программируемом материале а-ля мышцы осьминога, который "надувается" и меняет форму. Также мы сообщали о том, как лук и золото помогли создать искусственные мышцы.
