Сотрудники ИТМО, Тель-Авивского университета и Университета Авейру создали инновационный подход к повышению механических характеристик паутины. Для этого в шелковые железы пауков внесли раствор, содержащий магнитные наночастицы. В перспективе модифицированная паутина может найти применение в изготовлении гибких и управляемых магнитным полем компонентов для мягких роботов, а также прочных оснований для микросхем в гибкой электронике. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Applied Bio Materials.
Паутина — это природный материал, обладающий рядом необыкновенных качеств. Она в три раза крепче кевлара, из которого делают бронежилеты, устойчива как к низким, так и высоким температурам, эластична и растяжима ― может растягиваться на 30–40% без разрыва, при этом материал легкий, тонкий и биосовместимый. Всё это делает ее идеальным кандидатом для решения задач в совершенно разных сферах ― от медицины и экологии до робототехники. Например, на основе паутины перспективно создавать материалы для таргетной доставки лекарств и регенерации тканей или гибкие и легкие конечности для роботов.
Для увеличения объемов производства ученые исследуют процессы формирования паучьего шелка, стремятся воспроизвести его в лабораторных условиях и усовершенствовать характеристики волокна, в частности повысить его прочность. Для этого пауков нередко обрабатывают раствором с магнитными наночастицами или добавляют их в корм, чтобы усилить прочность паутины. Однако эти подходы не всегда результативны, так как значительная доля наночастиц удаляется организмом, и лишь небольшое их количество попадает в шелковые железы.
Специалисты из ИТМО в сотрудничестве с учеными из Тель-Авивского университета и Университета Авейру создали инновационную технологию, позволяющую повысить модуль Юнга, определяющий способность паутины противостоять растяжению или сжатию, на 82%. Для этого исследователи предложили вводить магнитные наночастицы Fe3O4 непосредственно в область шелковой железы пауков-птицеедов Holothele incei. Каждые три дня паукам проводили процедуры под наркозом, а спустя две недели впервые зафиксировали наличие магнитных наночастиц в их паутине с использованием энергодисперсионного рентгеновского спектроскопа.
Введенные инъекциями наночастицы достигли шелковой железы и изменили расположение молекул спидроина, основного белка, из которого состоит паутина. Данное взаимодействие привело к увеличению количества β-листов – структурного элемента паутины, определяющего ее прочность. Доля β-листов возросла приблизительно с 48% до 71%. Это, в свою очередь, отразилось на модуле Юнга, который увеличился на 82%, что свидетельствует о повышении прочности и жесткости паутины.
«Повышение модуля Юнга увеличивает жесткость паутины сравнимой с биологическими тканями, например хрящом. Мы предположили, что дело в зарядах наночастиц и белкового бульона для паутины: наночастицы, как мостики, притягивают к себе некоторые аминокислоты спидроина из паутины, в итоге структура шелка получается более упорядоченной. Кроме того, наночастицы придали паутине магнитные свойства, которые позволят управлять волокном. В нашем исследовании магнетит использовался в качестве модельного объекта. В перспективе можно улучшить технологию и состав наноматериалов, чтобы создавать модифицированный шелк паука для управляемых мягких роботов. При этом наш метод позволяет сохранить первичную структуру шелка — паутина не потеряла своих первичных характеристик гибкости и легкости» , — по словам первого автора исследования, заведующей лабораторией на факультете биотехнологий ИТМО Анастасия Крючкова.
Модифицированное волокно представляет собой перспективный материал для изготовления миниатюрных объектов, таких как мягкие роботы. Эти устройства основаны не на жестких каркасах, а на эластичных материалах, что обеспечивает им гибкость и мобильность. Паутину можно использовать для создания соединительных элементов робота, позволяющих конечностям получать дополнительные степени свободы и расширять возможности передвижения. Наночастицы, содержащиеся в паутине, реагируют на изменения внешнего магнитного поля, что позволяет осуществлять управление роботом. Кроме того, исследователи полагают, что модифицированный шелк может служить подходящей основой для микросхем в гибкой электронике. Гибкость паутины позволяет повысить долговечность материала.
Исследование поддержано программой «Приоритет 2030».