Новый материал, созданный исследователями Корнелльского Университета (Cornell University, США), немного напоминает Терминатора Т-1000 из культового боевика «Терминатор-2. Судный день», – он может течь как жидкость, а затем возвращаться в исходную форму (кратко об этом мы уже писали).

Гидрогели – дисперсные системы, состоящие из двух компонентов – высокомолекулярных веществ, образующих непрерывную трёхмерную макромолекулярную сетку (полимерный каркас), и воды (растворителя, наполняющего пустоты этого каркаса).

Благодаря такой структуре гидрогели могут абсорбировать воду в огромном количестве наподобие губки.

Рис. 1. Кадр из Терминатора-2: «Реинкарнация» Терминатора из жидкости.

Наличие трёхмерного полимерного каркаса сообщает гелям механические свойства твёрдых тел: отсутствие текучести, способность сохранять форму, прочность и способность к деформации (пластичность и упругость). Однако большинство гелей при удалении воды необратимо разрушаются и теряют свои свойства.

Ученые из Корнелльского университета под руководством профессора Дэна Луо (Dan Luo) создали гидрогель на основе ДНК, способный полностью восстанавливает свою форму после удаления и затем вновь добавления воды.

Гидрогели используются для доставки лекарств (пустоты могут быть наполнены целевым веществом, которое высвобождается при деградации гидрогеля) или в качестве каркаса для регенерации тканей.

Способность образовывать гель желаемой формы открывает дополнительные возможности: например, гель, наполненный лекарством, может быть сформирован так, чтобы максимально соответствовать пространству внутри раны.

Гидрогель, полученный в лаборатории Луо, сформирован из синтетических ДНК. Как известно, ДНК представляют собой уникальную последовательность нуклеотидных оснований, на основе которых строятся гены, однако, они также могут служить строительными блоками для многих других самособирающихся материалов. Единичные молекулярные цепи ДНК сцепляются с другими единичными цепями, имеющими комплементарное кодирование, наподобие крошечных кусочков органического Lego. Синтезировав ДНК, исследователи последовательно создали из них короткие отрезки, которые связывались в крестообразной форме или в форме букв «Y», цепочки которых комплементарны друг другу только в определенных участках.

Эти отрезки, в свою очередь, присоединялись концами друг к другу при помощи ферментов лигаз, образуя сетчатые структуры наподобие сита. Эти работы были первой удачной попыткой получить гидрогель на основе ДНК.

Пытаясь найти новый подход, ученые смешивали синтезированные ДНК с ферментами, провоцирующими саморепликацию молекул ДНК и их растягивание в длинные цепи, для того чтобы получить гидрогель с уникальным каркасом из тончайших пластов, состоящих из квадратных ячеек, и соединяющихся трехмерными волокнами.

«В течение этого процесса молекулы ДНК переплетаются, и переплетение приводит к образованию 3D сети», – объясняет Луо. Однако результат получился не таким, каким ожидали ученые. «Полученный нами гидрогель растекался как жидкость, но при помещении его в воду, он принимал форму контейнера, в котором он был образован», – говорит Луо, – «это не планировалось».

Исследования, проведенные методом электронной микроскопии, показали, что полученный материал состоит из множества крошечных сферических шариков, состоящих из переплетенных ДНК (авторы называют эти структуры «птичьими гнездами»), диаметром около 1 мкм (Рис. 2). Их поведение похоже на поведение множества резиновых лент, склеенных вместе. У них есть наследственная форма, но они не могут растягиваться или деформироваться.

Рис. 2. Электронная микрофотография полученного материала. Можно увидеть, что материал состоит из мельчайших «птичьих гнезд» – переплетенных спиралей ДНК (слева), которые связаны друг с другом в ДНК-блоки (справа). Такая структура создает множество крошечных пустот, которые поглощают воду как губка. Источник: Лаборатория проф. Луо.

Ученые говорят, что согласно их теоретическим расчетам упругие силы, обеспечивающие форму гидрогеля, являются настолько слабыми, что капиллярные силы вместе с силами тяжести легко преодолевают их, поэтому гель оседает в свободные (несвязанные) капельки. Но когда его погружают в воду, поверхностное натяжение становится приблизительно равным нулю, поэтому выталкивающие силы превосходят действие сил тяжести.

Для демонстрации этого интересного свойства, исследователи разлили исходный золь в формочки в виде букв «D», «N» и «A». При удалении воды получившийся гидрогель стал похож на аморфную жидкость, однако в воде он трансформировался обратно в буквы (Рис 3). См. видео ниже.

Рис. 3. Гигдогели, сделанные в форме букв «D», «N» и «A», самостоятельно деградируют, переходя в жидкоподобное состояние, однако возвращаются в первоначальную форму при добавлении воды уже в течение 15 секунд. Источник: Лаборатория проф. Луо.

В качестве демонстрации возможного применения такого гидрогеля ученые создали выключатель, реагирующий на воду. Они сделали гидрогель, наполненный частицами металла, в форме невысокого цилиндра и разместили его в изолированной трубке между двумя электрическим контактами. В жидкой форме гель мог достигать обоих концов трубки и тем самым обеспечивать прохождение тока. Однако при добавлении дистиллированной воды гель становился более короткой формы, которая не позволяла достигать обоих контактов, и ток не проходил.

Результаты данной работы были опубликованы в журнале Nature Nanotechnology в декабре 2012 г.