Ученые разработали упругий полимерный материал, который при растяжении увеличивают модуль упругости и меняет окраску. По своим механическим свойствам этот материал приближается к параметрам человеческой кожи, поэтому в будущем полимеры аналогичного строения можно будет использовать для создания искусственной кожи или в качестве биологических имплантатов, заменяющих мягкие ткани человека или животных, пишут ученые в Science.

Ткани многих животных обладают довольно необычными для мягких материалов механическими свойствами — они могут упрочняться при увеличении напряжения: если при небольших деформациях ткань довольно легко реагирует на внешнее воздействие и быстро растягивается, то после ее расширения на определенную величину, дальнейшая деформация начинает требовать куда больших усилий. Что интересно, у некоторых животных (например, у хамелеона) эти ткани при растяжении еще и меняют свой цвет.

Фигурка в форме бабочки, вырезанная из полученного эластомерного материала. M. Vatankhah-Varnosfaderani et al./ Science, 2018

Изменение цвета кожи хамелеона в расслабленном и напряженном состоянии. J. Teyssier et al./ Nature Communications, 2015

Воспроизвести подобные характеристики в искусственных материалах до настоящего времени не удавалось, тем не менее такие свойства могут оказаться весьма полезными как при получении функциональных материалов, так и для разработки имплантатов, которые по своим механическим свойствам должны быть близки к биологическим тканям.

Группе ученых из США, Франции и России под руководством Сергея Шейко (Sergei S. Sheiko) из Университета Северной Каролины удалось разработать материал, который сочетает в себе и механические свойства животных тканей, и возможность управления цветом за счет изменения нагрузки или внешних условий.

Для этого исследователи использовали упругие триблок-сополимеры — гетерополимерные соединения, состоящие из трех блоков разного состава. Центральный участок каждой из полимерных цепочек в этом материале представлял собой полидиметилсилоксановый (ПДМС) фрагмент с разветвленной структурой, напоминающий ершик для мытья посуды: в стороны от основного полимерного скелета молекулы, состоящего из нескольких сотен звеньев, отходили короткие боковые «веточки» длиной всего в 14 мономеров. По краям полимера располагались два блока из полиметилметакрилата (ПММА), они позволяли нескольким полимерным цепочкам собираться в единую сеть.

Схема самосборки полимерной сети из отдельных цепочек и изменение цвета образовавшейся структуры в зависимости от концентрации в нем расторителя. M. Vatankhah-Varnosfaderani et al./ Science, 2018

В результате микрофазного расслоения из полимеров такого строения образуется упругий полимерный материал, состоящий из отдельных наноразмерных сфер из ПММА размером от 20 до 40 нанометров, соединенных между собой «полимерными ершиками» из ПДМС. Механические и оптические свойства такого полимера оказываются зависящими от расстояния между клубками, которое можно менять несколькими способами: например, увеличивая внешнюю нагрузку или изменяя концентрацию в материале растворителя.

Изменение цвета эластомерного материала при увеличении концентрации в нем растворителя. M. Vatankhah-Varnosfaderani et al./ Science, 2018

Оказалось, что по своим механическим свойствам полученный материал очень близок к биологическим тканям, в частности, к коже свиньи: сам полимер довольно мягкий, но его модуль упругости при деформации меняется сразу на два порядка. При этом варьируя длину цепочек полимера, можно менять абсолютное значение модуля упругости материала, даже приближая его к механическим параметрам человеческой кожи.

Свою окраску при внешней нагрузке полимерный материал меняет с синего на голубую за счет увеличения расстояния между доменами ПММА, которое приводит к изменению дифракционных свойств и смещению основного пика структурной окраски материала.

«Две самые удивительные черты биологических тканей — это их механика и оптические свойства, — объяснилодин соавторов статьи, руководитель лаборатории инженерного материаловедения факультета фундаментальной физико-химической инженерии Московского государственного университета Дмитрий Иванов. — Например, жировая ткань животных с одной стороны мягкая: ее модуль эластичности всего 200–300 паскалей, — а с другой стороны, при растяжении мягкие ткани упрочняются на несколько порядков. И до сих пор не было ни одного синтетического материала, который мог бы воспроизвести такую механику живых биологических тканей. А через оптику в природе передается информация, это способ его взаимодействия с окружающим миром. Вот у хамелеона верхним слоем эпидермиса определяется цвет кожи. На нем расположены гуаниновые нанокристаллы, дифрагирующие в видимой области. А в более глубоких слоях эпидермиса есть другие дифракционные решетки, которые работают, например в области инфракрасного излучения и нужны для тепловой защиты животного».

Эксперимент по растяжению эластомера, во время которого можно одновременно измерять механические свойства материала и следить за изменением его структуры с помощью рентгеновского излучения. M. Vatankhah-Varnosfaderani et al./ Science, 2018

«Поэтому у наших материалов, обладающих строго заданными свойствами — как механическими, так и оптическими — в будущем могут быть самые неожиданные применения, — отметил Дмитрий Иванов. — Например, сейчас мы задумались о внутриглазных имплантатах. Для материала, который имплантируется внутрь глаза, будет важна вся совокупность этих свойств. Пока мы еще далеки от клинических испытаний, и в ближайшем планах мы думаем в первую очередь о механических свойствах (которые важны, например при замене межпозвоночных дисков), но мы также задумываемся и о тех свойствах, которые связаны с оптикой. Но пока это только фундаментальная работа — возможность показать, как с помощью процессов самосборки можно получать синтетические материалы, состоящие из сложных иерархических конструкций с заданными свойствами».

При этом авторы работы отмечают, что пока рано говорить о том, можно ли будет создавать мягкие ткани и кожу конкретно из предложенного ими материала, но технология управления механическими и оптическими свойствами через структуру полимерных цепочек может пригодиться для этой цели. А одной из целей ближайших исследований ученые называют разработку материала, окраску и механические свойства которого можно менять независимо друг от друга.

Материалы, которые меняют свою окраску при изменении внешних условий, могут использоваться для самых разнообразных целей. Например, в прошлом году одна из британских компаний разработала краску для волос, основанную на термохромных пигментах и способную менять цвет в зависимости от температуры окружающей среды. А американские физики создали проводящий оксидный материал, который меняет свои оптические свойства под действием световых импульсов и может применяться в нанофотонике и оптических методах передачи данных.

Автор: Александр Дубов