Разработка нового сверхпрочного биоматериала по образцу зубов морских блюдечек

Междисциплинарная команда биологов, химиков и инженеров из Портсмутского университета впервые успешно вырастила вдохновлённый морскими блюдечками биоматериал с экстремальной прочностью.

Эти небольшие моллюски используют язык, покрытый микроскопическими зубами, чтобы соскабливать пищу с камней. В 2015 году было установлено, что эти зубы содержат твёрдый, но гибкий композит — самый прочный из известных биологических материалов, значительно прочнее паутины и сравнимый с искусственными веществами, такими как углеродное волокно и кевлар.

Команда успешно воспроизвела процесс формирования зубов блюдечка в лаборатории и использовала его для создания нового композитного биоматериала. Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, предполагает, что материал обладает потенциалом для масштабирования и может соперничать по прочности и гибкости с синтетическими аналогами, но при этом разлагаться без образования вредных отходов.

Ведущий автор доктор Робин Рамни отметил, что полностью синтетические композиты, такие как кевлар, широко используются, но процессы их производства могут быть токсичными, а материалы — сложными и дорогими в переработке. Новый материал потенциально более устойчив с точки зрения источников сырья и производства, а в конце жизненного цикла способен к биологическому разложению.

Секрет прочности зубов блюдечка заключается в уникальной структуре, сочетающей плотно упакованные гибкие волокна каркасного материала хитина с мелкими кристаллами содержащего железо минерала гётита. Волокна переплетены друг с другом, подобно тому, как углеродные волокна укрепляют пластик.

Исследователи разработали методы, позволившие выращивать популяции клеток вне естественной среды, на покрытом сывороткой стекле, где они откладывали хитин и оксид железа, как в зубе блюдечка. Через две недели клетки самоорганизовались в структуры, напоминающие орган блюдечка — радулу, которая производит зубы.

Доктору Рамни также удалось вырастить ленты зубов из образцов ткани и отдельные зубы из популяций, содержащих стволовые клетки. После успешного реплицирования процесса формирования зубов команда смогла получить образцы биоматериала шириной в полсантиметра, минерализовав лист хитина — побочного продукта рыбной промышленности, содержащегося в экзоскелетах ракообразных.

Следующим шагом является изучение других способов индуцирования образования железа и анализ секретов клеток блюдечка. Если метод окажется эффективным, гены, отвечающие за интересующие процессы, могут быть выделены и внедрены в бактерии или дрожжи для масштабного выращивания материала.

Профессор Дарек Горецки, старший автор статьи, назвал проект «лучшим проявлением науки», начавшимся как любопытный вызов по выращиванию клеток радулы с применением принципов культивирования клеток млекопитающих.