Российские ученые предложили способ лазерной печати искусственных мышц из гидрогеля на основе белка плазмы крови быков и оксида графена. Данный метод позволит создавать мягкие, растяжимые, но при этом прочные системы, изменяющие свою форму под действием электрического тока. Они могут лечь в основу наноэлектромеханических устройств для самых разных областей: например, протезирования небольших мышц, создания биороботов и имплантируемых систем высвобождения лекарств. Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ) и опубликовано в журнале Biomimetics.
Новейшие технологии стремятся к миниатюризации — так в маленькое устройство можно вместить большое количество компонентов, которые обеспечат его скорость и производительность. В таком ключе чаще говорят об электронике или спинтронике, когда движутся частицы или их магнитные моменты соответственно, но подобная тенденция наблюдается и в механических объектах. Речь идет о так называемых наноэлектромеханических системах, которые являются чем-то вроде крошечного аналога крупных машин или их частей. Подобный подход особенно интересен в биомедицинских приложениях, например, при создании искусственных сердечных клапанов или мышц. Обеспечить свойства, наиболее близкие к природным, могут биологические вещества. Именно для одного из них физики нашли неожиданное применение.
«Бычий сывороточный альбумин получают из плазмы крови быка и обычно используют как «корм» для клеток, мы же сделали его основой для искусственных мышц. Нас вдохновила работа коллег, которые изготовили из полимеризованного белка фигурку микропаучка, начинающего двигаться при изменении химического состава окружающей среды. Мы поняли, что можно улучшить технологию, если добавить проводящие электричество материалы», — говорит аспирант Никита Некрасов, участник проекта.
Ученые из Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Зеленоград) предложили способ создания мягких искусственных мышц на основе гидрогеля из альбумина и оксида графена. Их водную смесь с особым веществом, запускающим межмолекулярную сшивку под действием света, облучали фемтосекундным импульсным лазером, и в результате удалось сформировать тонкие нанопроволоки. Такой способ называют лазерной печатью, и потенциально он позволяет изготавливать изделия самой разной формы.
Эти структуры довольно прочны (в полтора раза прочнее полимера из чистого белка) и могут проводить электричество благодаря оксиду графена. Сывороточный альбумин делает их мягкими, гибкими и, как предполагают авторы работы, биосовместимыми, то есть нанопроволоки не будут вредить живым клеткам и тканям. При всем этом некоторые свойства структур, например жесткость или плотность белковой части, можно настраивать, изменяя кислотность или содержание солей в исходном реакционном растворе. Компонентный состав также можно варьировать, таким образом влияя на механические и электрические свойства материала.
«Свойства оксида графена и альбумина дают синергический эффект: прочность и проводимость сочетаются с мягкостью и гибкостью. В дальнейшем мы планируем проверить наши материалы во взаимодействии с клеточными культурами — все же потенциально они должны стать частью биомиметических устройств, например имплантатов для регенерации тончайших микрососудов или нанороботов для доставки лекарств в больной орган», — подводит итог Иван Бобринецкий, руководитель гранта РНФ, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник Научно-образовательного центра «Зондовая микроскопия и нанотехнологии».
