Atklājumi.lv

Pēc kalmāra knābja parauga izstrādā materiālu drošākiem un ērtākiem medicīniskiem implantiem

Viena no problēmām, ar ko saskaras dažādu implantu un protēžu ražotāji - kā cietu priekšmetu droši savienot vai izvadīt cauri mīkstajiem audiem? Mehāniskā nesavietojamība nereti izraisa ādas bojājumus vietās, kur, piemēram, ķermenī ievadītas barošanas caurulītes triekas pacientiem vai vadi, kas nepieciešami sirdsdarbību uzturošā sūkņa elektriskajai barošanai. Lai šo problēmu atrisinātu, Case Western Reserve universitātes (ASV) pētnieki izstrādājuši prototipu materiālam, kas tapis, iedvesmojoties no kalmāra knābja.

Kalmāra knābja gals ir cietāks nekā cilvēka zobi, bet tā pamatne ir tikpat mīksta, cik pārējais šī dzīvnieka ķermenis. Lai savienotu šīs abas mehāniski visai atšķirīgās daļas, daba kalmāra knābi ir izveidojusi ar mainīgu struktūru - lielākā tā daļa pēc sastāva ir gradientveida, pārejoša, no cietāka uz mīkstāku. Gradients darbojas kā trieciena absorbētājs, ļaujot dzīvniekam kost ar lielu, ādu, čaulas un kaulus pāršķeļošu spēku, tajā pat laikā nenodarot nekādu kaitējumu pašam savai gaļīgajai, mīkstajai mutei.

Kalmāra knābis - kā tas iepriekš izpētīts - pēc savas uzbūves ir nanokompozīts, kas sastāv no hitīna šķiedru tīkla, ko pieaugošā apjomā krustu šķērsu caurauž proteīni. Knābis saglabā gradientu arī sausā vidē, taču, atrodoties ūdenī, kalmāra dabīgajā dzīves telpā, tā mainīgais elastīgums ir vairākkārt lielāks.

Atveidojot šo evolūcijas radīto dabas tehnoloģiju, būtu iespējams uzbūvēt pacientiem daudz ērtākas un drošākas medicīniskās ierīces, sākot no glikozes sensoriem un beidzot ar kāju un roku protēzēm, stāsta pētnieki, kuru raksts 26. martā publicēts izdevumā "Journal of the American Chemical Society".

"Mēs atdarinājām kalmāra [knābja] arhitektūru un īpašības, kuru attīstībā svarīga loma bijusi ūdenim," saka izstrādes vadītājs, Case Western Reserve universitātes makromolekulāro savienojumu un inženierzinātņu profesors Stjuarts Rovens. S. Rovens, strādājot kopā ar citu pētījuma dalībnieku, Džefriju Kapedonu no Veterānu medicīnas centra Klīvlendas departamenta Jauno tehnoloģiju centra, jau bija izstrādājuši materiālu, kas atveido jūras gurķa ādu. Kad slapjš, šis materiāls ir mīksts un lokans, bet, kad sauss - ciets.

Kalmāra knābim līdzīgo materiālu zinātnieki izgatavoja kā plānu plēvi, kurā iestrādātas nanošķiedras, kas ļauj saglabāt stingrību mitrā vidē. Lai iegūtu lokanības gradientu, plēvē ievietoja attiecīgi apstrādātus celulozes nanokristālus, kuri, kad pakļauti gaismai, veido savstarpējās saites. Vienu galu materiāla gabalam neapgaismoja vispār, bet pārējo daļu apgaismoja pakāpeniski pieaugošā intensitātē. Jo vairāk gaismas kristāli saņēma, jo ciešākas saites izveidoja.

Tāpat kā knābim, izgatavotajam eksperimentālajam materiālam pāreja no cieta uz mīkstu kļuva krasāka, kad to samitrināja. Materiāla autori saka, ka ķermeņa iekšpusē esošais mitrums būs pietiekams, lai to nodrošinātu, tādējādi padarot šo tehnoloģiju īpaši saistošu implantu ražotājiem. "Patreiz medicīnā plaši izmanto cietus materiālus vietās, kur piemērotāki būtu mīksti," saka viens no publikācijas līdzautoriem Pols Marasko. Tas, savukārt, saistās ar infekcijām, brūcēm un implantu darbības traucējumiem. Metāla stenti, ko ievieto asinsvados, elektrodi muskuļos vai smadzenēs, diabēta slimnieku insulīna sūkņu adatas un protēžu savienojumi varētu būt daudz drošāki un efektīvāki, ja to materiāls paliktu ciets, kur tas vajadzīgs, tajā pat laikā esot elastīgs, saskarē ar apkārtējiem mīkstajiem audiem.

Šobrīd pētnieki strādā pie jaunā materiāla uzlabošanas, lai palielinātu tā gradienta pakāpi. Kalmāra knābja gals ir 100 reižu cietāks nekā tā mīkstākā daļa, kamēr Rovena vadībā izstrādātajam materiālam atšķirība pagaidām ir tikai piecas reizes. Zinātnieks cer, ka nākošās versijas būs jau tuvākas praktiskas pielietojamības izmēģinājumiem.

Attēls: flickr.com

Avots:

Justin D. Fox, Jeffrey R. Capadona, Paul D. Marasco, Stuart J. Rowan. Bioinspired Water-Enhanced Mechanical Gradient Nanocomposite Films That Mimic the Architecture and Properties of the Squid Beak. Journal of the American Chemical Society, 2013; 135 (13): 5167 DOI: 10.1021/ja4002713

© Atklajumi.lv. Pārpublicēt atļauts tikai ievērojot ŠOS NOTEIKUMUS.