Синтетичні матеріали, такі як пластмаси, створені для того, щоб бути міцними та водостійкими. Однак обробка, необхідна для досягнення цих властивостей, призводить до відсутності біорозкладу, що веде до накопичення пластикового забруднення, яке впливає як на довкілля, так і на здоров'я людини. Дослідники з Інституту біоінженерії Каталонії (IBEC) розробляють можливу заміну пластмас: новий біоматеріал на основі хітину, другого за поширеністю природного полімеру на Землі.
"Кожен рік природа виробляє близько 1011 тонн хітину, що приблизно еквівалентно більш ніж трьом століттям світового виробництва пластмас", - каже керівник дослідження Хав'єр Г. Фернандес. "Хітин та [його похідне] хітозан — це найкращі природні інженерні полімери. У природі варіації цього матеріалу дозволяють створювати жорсткі крила комах, що забезпечують політ, еластичні суглоби, що дозволяють здійснювати надзвичайні стрибки у коників, та броньовані захисні екзоскелети в омарів чи молюсків".
Хоча біоматеріали є більш екологічною альтернативою звичайним пластикам, більшість біологічних матеріалів слабшають при дії води. У цій останній роботі Фернандес та перший автор Акшаякумар Компа, надихнувшись природою, розробили новий біоматеріал, який збільшує свою міцність при контакті з водою, зберігаючи при цьому свою природну біорозкладність. Результати дослідження опубліковані у журналі Nature Communications.
Важливість металу
В екзоскелетах комах та ракоподібних хітин виділяється у воду в гелеподібній формі, а потім переходить у тверду структуру. Після випадкового спостереження, що видалення цинку з іклів піщаного хробака призвело до їх розм'якшення у воді, Компа і Фернандес досліджували, чи додавання іншого перехідного металу, нікелю, до хітозану може мати протилежний ефект.
Змішуючи розчин нікелю хлориду (в концентраціях від 0,6 до 1,4 М) з дисперсіями хітозану, витягнутого з викинутих панцирів креветок, дослідники захопили різну кількість нікелю в структуру хітозану. Інфрачервоні спектри з перетворенням Фур'є одержаних плівок хітозану виявили присутність іонів нікелю, які утворюють слабкі водневі зв'язки з молекулами води та збільшують здатність біоматеріалу зв'язуватися з водою.
"У наших плівках молекули води утворюють оборотні містки між полімерними ланцюгами через слабкі взаємодії, які можуть швидко розриватися і відновлюватися під навантаженням", — пояснює Фернандес. "Саме ця швидка перебудова надає матеріалу високу міцність і в'язкість у вологих умовах: по суті, це вбудований механізм «самоперебудови», що активується напругою. Іони нікелю діють як стабілізувальні якорі для цих містків, утворених за допомогою води, забезпечуючи більшу кількість і більш дальні зв'язки та роблячи міжланцюжковий зв'язок більш міцним".
Зразки хітозану, леговані нікелем, мали міцність на розрив від 30 до 40 МПа, аналогічну до міцності стандартних пластиків. Додавання низьких концентрацій нікелю не мало істотного впливу на механічні властивості плівок. Однак концентрації 1 М і більше зберігали міцність матеріалу, одночасно підвищуючи його ударну в'язкість (здатність розтягуватися до руйнування) – ключовий показник у галузі конструкційних матеріалів та унікальна особливість біологічних композитів.
При зануренні у воду леговані нікелем плівки продемонстрували велику міцність на розтяг, збільшившись з 36,12±2,21 МПа у сухому стані до 53,01±1,68 МПа, що відповідає діапазону високоефективних конструкційних пластиків. Зокрема, зразки, створені за оптимальної концентрації нікелю 0,8 М, майже подвоїли свою міцність у вологому стані (і використовувалися для подальших експериментів команди).
Масштабування виробництва
Виробничий процес включає початкове занурення у воду, за яким слідує сушіння протягом 24 годин, а потім повторне зволоження. Під час першого занурення будь-які іони нікелю, не включені в функціональну мережу зв'язувального матеріалу, вивільняються у воду, забезпечуючи присутність нікелю тільки там, де він структурно корисний.
Дослідники розробили безвідходний виробничий цикл, в якому ця вода використовується як основний компонент для виготовлення наступного об'єкта. "Виділений нікель витягується і використовується для виробництва наступної партії матеріалу, тому процес працює практично зі 100% використанням нікелю у всіх партіях", - говорить Фернандес.
Вони використовували цей процес для отримання різних об'єктів з хітозану, легованого нікелем, включаючи водонепроникні контейнери та плівку площею 1 м², здатну витримувати вагу 20 кг після 24 годин занурення у воду. Вони також створили плівку розміром 244 x 122 см з аналогічними механічними властивостями, що демонструє потенціал для швидкого масштабування до екологічно значущих розмірів. Стандартний тест на період напіврозпаду показав, що приблизно через чотири місяці після поховання у садовому ґрунті половина матеріалу розклалася.
Дослідники припускають, що перше реальне застосування біоматеріалу може бути в таких секторах, як сільське господарство та рибальство, де потрібні міцні, водосумісні й, зрештою, матеріали, що розкладаються, ймовірно, для упаковки, покриттів та інших застосувань, пов'язаних з водою. І нікель, і хітозан вже використовуються в біомедицини, що робить медицину ще однією можливою метою, хоча будь-який новий медичний продукт вимагатиме додаткової перевірки на відповідність нормативним вимогам та експлуатаційним характеристикам.
В цей час команда займається створенням лабораторного комплексу площею 1000 м² у Барселоні, відкриття якого заплановано на 2028 рік, для співпраці між академічними колами та промисловістю у галузі досліджень сталої біоінженерії. Фернандес припускає, що ми рухаємося до «епохи біоматеріалів», яка визначається здатністю «контролювати, інтегрувати та широко використовувати біоматеріали та біологічні принципи в інженерних додатках».
"За останні 20 років, працюючи над біоінспірованим виробництвом, ми змогли створити найбільші у світі об'єкти, надруковані на біопринтері, продемонстрували шляхи ресурсобезпечного та сталого виробництва у міських умовах і навіть досліджували, як ці підходи можуть підтримувати міжпланетну колонізацію", — каже він в інтерв'ю Physics World. "Тепер ми досягаємо властивостей матеріалів, які вважалися недосяжними, проєктуючи матеріал таким чином, щоб він взаємодіяв із навколишнім середовищем, а не ізолювався від нього".
