Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →
W drugiej części filmowych przygód Spidermana z 2004 r. superbohater zatrzymuje pociąg nowojorskiego metra przy pomocy pajęczej nici. Fikcja? Okazuje się, że niekoniecznie: jak obliczyli młodzi fizycy z Uniwersytetu w Leicester, nić pająka z Madagaskaru Caerostris darwini jest na tyle mocna, by taka akcja była możliwa – pisał niedawno prestiżowy magazyn naukowy „Nature” w obszernym artykule poświęconym możliwościom jedwabiu.
Nić pajęcza zbudowana z polimerów jedwabiu jest 300 razy bardziej wytrzymała niż stal. Pająki, gekony, a nawet ostrygi są potencjalnie bardzo interesującym źródłem pomysłów dla człowieka, poszukującego innowacyjnych materiałów do budowy mostów, szycia odpornych na płyny ubrań czy stworzenia superkleju do zastosowań w chirurgii.
Z pomocą przychodzi natura.
Jedwabne implanty
Zdolność snucia jedwabnych nici wykształciła się w ewolucji niezależnie u kilku rodzajów bezkręgowców – pszczół, pająków i jedwabników. W przypadku pająków różne części ich sieci zbudowane są z innego rodzaju jedwabiu. Są włókna sztywne, które pełnią funkcje strukturalne, kleiste, które służą do łapania owadów, czy wysoce wytrzymałe liny przeznaczone do utrzymania pająka w trakcie opadania. Włókno jedwabne zbudowane jest z różnych rodzajów białek, które łącząc się w określony sposób, budują stabilne i elastyczne struktury.
Pierwszy gen białka budującego jedwab został zsekwencjonowany w 1990 r. i od tego czasu udało się takie białka uzyskać w bakteriach i kozim mleku. Niestety ich cząsteczki są zazwyczaj duże. A im białko większe, tym trudniej je sztucznie wyprodukować. Na rynku międzynarodowym działa sporo firm, które sprzedają sztuczny jedwab, nie jest on jednak tak wytrzymały jak naturalny.
Aby zrozumieć, jak splątana jest pajęcza nić, trzeba poznać nie tylko jej składniki molekularne, ale też specjalny sposób ich usieciowania, który nadaje jej wyjątkowe cechy. Wymaga to jeszcze głębszego zrozumienia anatomii i fizjologii produkujących ją pająków. Niestety w niewoli stawonogi te stają się kanibalami. Dlatego jedynym sposobem na uzyskanie naturalnej nici pajęczej jest złapanie dzikiego pająka, uśpienie go i powolne wyciąganie nici z jego gruczołów. W ten sposób można otrzymać nawet do stu metrów pajęczej nici. Ale z prób zastosowania tej metody na skalę przemysłową wyszłyby... nici.
Gatunkiem stawonoga produkującym jedwab jest dawno udomowiony przez człowieka i wykorzystywany w celach medycznych motyl jedwabnik Bombyx mori. Wytwarzana przezeń nić jedwabna jest zbudowana tylko z jednego rodzaju białka o nazwie fibroina i służy do budowania kokonów. Jak czytamy w przywoływanym artykule na łamach „Nature”, żeby oczyścić fibroinę, należy najpierw otworzyć kokony i usunąć z nich larwy jedwabnika. Następnie włókna jedwabne umieszcza się w gorącej kąpieli, żeby usunąć sklejające włókna białko – sercynę. Dopiero wtedy można przystąpić do oczyszczania samej fibroiny. Powstający gęsty roztwór można zmieszać z różnymi substancjami, jak np. leki czy nanocząstki. Naukowcy kontrolują ostatni etap suszenia zmodyfikowanej fibroiny, tak żeby rozpuszczała się w organizmie człowieka w określonym momencie. W ten właśnie sposób powstały implanty uwalniające leki, sztuczne rogówki, sprzęt ortopedyczny czy wreszcie rusztowania do hodowli neuronów z kory mózgowej.
Stąpanie gekona
Inaczej niż w przypadku pajęczej nici udało się już wprowadzić na rynek inny inspirowany naturą materiał o specjalnych właściwościach – Geckskin. W czerwcu 2014 r. odbyła się demonstracja możliwości materiału wzorowanego na pokryciu stóp gekona, zwierzęcia bez trudu poruszającego się po pionowych powierzchniach. Ważący 100 kg mężczyzna, dodatkowo obciążony plecakiem, wspiął się na pionową szklaną powierzchnię przy pomocy pokrytych tym materiałem kijków, które były w stanie go utrzymać. Fragment Geckskin o powierzchni 10 cm2 jest w stanie utrzymać aż 318 kilogramów!
Kluczowe dla stworzenia „sztucznej skóry gekona” było poznanie szczegółów budowy jego stopy. Długo sądzono, że gady te zawdzięczają swoje niezwykłe zdolności specjalnym wyrostkom skórnym na stopach. Dopiero modelowanie matematyczne udowodniło, że kluczowe jest zrozumienie, jak stopa gekona zachowuje się w kontakcie z podłożem. U większości stworzeń ścięgna łączą mięśnie z kośćmi, ale u gekona dodatkowo łączą one z mięśniami skórę. W momencie, gdy gad stawia stopę, naczynia krwionośne napełniają się i dociskają skórę do powierzchni. Równocześnie ścięgna ciągną skórę w przeciwną stronę. Oddziaływanie między stopą a podłożem jest większe niż działająca w dół siła grawitacji, co pozwala zwierzakowi utrzymać się na pionowej powierzchni. Kiedy gekon chce zrobić krok do przodu, po prostu podwija stopę, co likwiduje napięcie i zmniejsza sztywność ścięgna.
Geckskin naśladuje stopy gekona poprzez połączenie miękkiego poliuretanu imitującego skórę z włóknem węglowym, które zapewnia odpowiednią sztywność i trwałość.
Owoce morza w służbie medycyny
A gdyby tak można było zlepiać złamane kości albo głębokie rany? Posłużyć do tego mógłby specjalny, biokompatybilny klej pochodzący z... ostryg. Muszle tych skorupiaków tkwią niewzruszone, przytwierdzone do skał, choć te cały czas obmywane są przez fale morskie. Nie przeszkadza im zasolenie, temperatura czy wilgotność, bo przymocowane są supermocnym naturalnym klejem. W czym tkwi sekret ostryg? Jak czytamy również na łamach „Nature”, ów klej, czyli naturalny polimer, zbudowany jest z białek, w których skład wchodzą reszty aminokwasowe tyrozyny. Ulegają one pewnej modyfikacji, która pozwala na tworzenie stabilniejszych wiązań chemicznych, odpowiadających za siłę kleju.
Jednym z naukowców, którego zainspirowały ostrygi, jest Jonathan Wilker pracujący na Uniwersytecie Purdue w Indianie. Jego grupie udało się wytworzyć taki superklej w warunkach laboratoryjnych i po raz pierwszy skleić dwie powierzchnie całkowicie zanurzone w wodzie.
Innymi ciekawymi dla naukowców morskimi zwierzętami są strzykwy. Te przydenne szkarłupnie mają wydłużone miękkie ciało, które są w stanie całkowicie usztywnić w czasie krótszym niż jedna sekunda. W ten sposób bronią się przed polującymi na nie drapieżnikami. Za taką w pełni odwracalną zmianę odpowiedzialne są włókna kolagenowe. Specjalne białka regulatorowe mogą tak modyfikować strukturę tych włókien, że stają się one sztywniejsze, co wpływa na całe ciało strzykwy.
Materiał, który może zmieniać swoją sztywność, byłby bardzo przydatny w medycynie. Np. w terapii paraliżu, w ramach której wszczepia się do mózgu mikroelektrody. Powinny one być sztywne w momencie ich wprowadzania, ale później dopasowywać się do miękkiego otoczenia. Podobnie jest w przypadku stentów stosowanych w kardiochirurgii do poszerzania naczyń krwionośnych, czy nawet cewników.
Syntetyczny materiał o takich właściwościach naukowcy stworzyli, łącząc naturalną celulozę z octanem poliwinylu. Wysuszony jest sztywny, ale po umieszczeniu w tkance absorbuje wodę i staje się elastyczny. Takie podejście w znacznym stopniu zredukuje uszkodzenia tkanek i zmniejszy ryzyko powstawania stanów zapalnych.
W najbliższych latach będziemy świadkami patentowania coraz to nowszych i bardziej inteligentnych tworzyw dla medycyny i farmakologii, a źródłem inspiracji do ich stworzenia będzie właśnie natura. Jak dotąd pozostaje ona niedoścignioną kopalnią pomysłów. ©
