Исследователи из Юго-восточного университета Китая создали самозаживляющийся гидрогель, которому при создании можно придавать любой цвет с помощью изменения размера структурных элементов. Такой материал можно разрезать пополам, а затем снова совместить две части, после чего они скрепятся за счет реакций между веществами — наполнителями гидрогеля. Исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

Гидрогели — вещества, представляющие собой сетку из гидрофильных полимеров, в которой полости могут быть заполнены большим количеством воды. Как правило, большинство гидрогелей при поглощении воды увеличивают свои размеры в разы по сравнению с сухим состоянием.

Китайские исследователи поставили перед собой цель повысить износостойкость конструкций на основе гидрогелей. С этой целью они обратились к живым организмам, у которых позаимствовали два свойства: во-первых, способность заживлять раны, а во-вторых, характерную для некоторых насекомых способность принимать яркую цветную окраску без использования каких-либо красителей.

Fanfan Fu et al. / PNAS, 2017

В качестве каркаса гидрогеля ученые использовали структуру инвертированного опала. Для этого сначала был изготовлен «шаблон» из упорядоченных сферических частиц оксида кремния с диаметром в несколько сотен нанометров, напоминающий опал. Затем в поры между частицами заливался специальный состав, который полимеризовался и застывал под действием ультрафиолета. После этого наночастицы оксида кремния удалялись. Такая структура является фотонным кристаллом, в котором коэффициент преломления изменяется периодически, с периодом, сопоставимым с длиной волны света. Меняя размер наночастиц шаблона, исследователи подбирали интересующий их цвет конечного гидрогеля.

Для того чтобы придать материалу самозаживляющиеся свойства, исследователи использовали в качестве дисперсионной среды не чистую воду, а раствор белков, который обеспечивал обратимые связи.

Процесс самозаживления между фрагментами гидрогеля разных цветов. Fanfan Fu et al. / PNAS, 2017

Ученые продемонстрировали возможности своего материала с помощью двух экспериментов. Они разрезали образец материала, а затем совместили его обратно, в результате чего белковые связи восстановились и материал «склеился». Кроме того, они показали, что такой же эффект можно получить с образцами разного цвета, а значит, и разным периодом решетки.

После восстановления образцы имели несколько меньшую прочность. Это объясняется тем, что «заживлению» подвержены только связи между белковым наполнителем, тогда как каркас остается разорванным.

Исследователи отмечают, что все исходные вещества были получены из живых организмов, поэтому полученный гидрогель должен иметь высокую биосовместимость.

Существует немало разработок биосовместимых устройств на основе гидрогелей, например, имплантируемые механические системы, фотоактивируемый гидрогель для сшивания капилляров, или чернила для печати хрящей на 3D-принтере.

Автор: Григорий Копиев