Если долгое время находиться в ванной, кожа становится морщинистой. Частично это объясняется тем, что она отлично впитывает воду. Ранее ученые уже высказывали предположение, что столь высокая адсорбционная способность может быть связана с уникальной упаковкой белковых нитей в клетках кожи. Но теперь в своей последней работе ученые из Германии разработали полную термодинамическую модель процесса гидратации и расширения кожи. Как оказалось, этот обратимый процесс основан на балансе между расширением нитей (вызванным избытком воды) и пружиноподобным сжатием, обнаруженном учеными. Созданная ими модель полностью согласуется с экспериментальными данными, а результаты работы исследователей в перспективе помогут лучше понять, как работают кожные заболевания. Кроме того, знание свойств кожи в перспективе даст возможность разработать прочные и гигроскопичные материалы.

Кожа имеет замечательную способность поглощать воду, существенно увеличиваясь в объеме, а затем высыхать, обращая процесс вспять, без каких-либо побочных эффектов. Это свойство выполняет несколько функций, одна из которых заключается в регулировании уровня гидратации внутри тела. Распухание и поглощение воды происходит во внешнем слое кожи, который состоит из мертвых клеток, называемых корнеоцитами (эти клетки уложен, как кирпичи).

Корнеоциты в свою очередь заполнены сетью жестких нитей, представляющих собой формы белка кератина. Еще в 2011 году ученые из Australian National University (Австралия) предложили геометрическую модель структуры этих нитей (так называемую сигма-стержневую упаковку). В этой модели каждая нить представляет собой длинную спираль. Проникая друг в друга, нити, направленные в четыре различные стороны в пространстве, формируют упорядоченную трехмерную решетку. При растяжении спиралей эта структура может увеличивать объем в пять раз, не теряя упаковку.

Теперь же коллеги ученых из University of Tübingen (Германия) сделали следующий шаг в попытках показать, как эта структура помогает клеткам кожи набухать и сокращаться.

Они разработали полную термодинамическую модель, которая описывает, как энергия системы изменяется, в зависимости от расстояния между элементами сети и размеров спирали.

Энергетические расчеты для данной упаковки показали, что

структура на самом деле склонна поглощать воду и расширяться. Однако существуют и другие процессы, которые, в конечном счете, обращают вспять расширение системы. Предшествовавшие измерения упругости нитей, формирующих структуру кожи, убедительно доказывают, что напряжение в растянутом состоянии как раз и обеспечивает противодействующую силу. Чем больше растянута нить – тем больше упругая энергия. Добавление этой энергии к полученной ранее модели позволило получить полное описание механизма расширения и сжатия кожи.

Для лучшего понимания полученных результатов научная группа использовала трехмерный график, где высота отражала энергию системы, а две горизонтальные координаты – расстояние между спиралями и радиус отдельной спирали в структуре (упомянутой выше упаковке).

С помощью численного моделирования они определили диапазон параметров решетки и спиралей, при которых энергия оказывалась вблизи минимума. Результаты убедительно доказывали, что геометрия нитей кератина имеет решающее значение с точки зрения отклика кожи на воду. Кстати, в рамках своего эксперимента ученые определили, что расширение кожи должно происходить на 11 – 38% (что вполне согласуется с измеренным ранее из эксперимента диапазоном 15 – 35%).

Подробные результаты работы опубликованы в журнале Physical Review Letters. Как считают коллеги ученых,

опубликованная работа дает ценную информацию о функциях кожи на промежуточных масштабах (между макро- и молекулярной структурой). Эта информация необходима для понимания процессов, разработки новых методов лечения дерматита и других кожных заболеваний, включая аномальную влажность кожи. Кроме того, исследователи считают, что на основе полученных данных можно создавать ткани или строительные материалы, которые основаны на способности кожи изменять свой объем под действием влаги.