Международная команда разработала наноматериал, способный преобразовывать механические движения в электричество. Сходный с коллагеном материал не токсичен, не причиняет вреда тканям организма и может в перспективе обеспечивать работу имплантируемых устройств (например, кардиостимуляторов).
Исследование проводилось под руководством профессора Тель-Авивского университета Эхуда Газита (Ehud Gazit).
В рабочую группу вошли также специалисты, связанные с Институтом Вейцмана и рядом исследовательских институтов Ирландии, Китая и Австралии.
Профессор Газит объясняет суть открытия:
«Коллаген — самый часто встречающийся белок в человеческом организме, около 30% всего белка в нашем организме — коллаген. Это биологический материал со спиральной структурой и множеством важных и полезных физических свойств, таких как механическая прочность и гибкость. Однако, поскольку молекула коллагена сама по себе большая и сложная, исследователи уже давно ищут минималистичную, короткую и простую молекулу, которая похожа на коллаген и обладает аналогичными свойствами. Около полутора лет назад в журнале Nature Materials наша группа опубликовала исследование, в котором мы использовали нанотехнологические средства для создания нового биологического материала, отвечающего этим требованиям. Это трипептид — очень короткая молекула, названная Hyp-Phe-Phe, состоящая всего из трёх аминокислот; способная к простому процессу самосборки: формированию коллагеноподобной спиральной структуры, которая обладает гибкостью и одновременно прочностью, подобной прочности титана. В настоящем исследовании мы попытались выяснить, обладает ли новый материал, который мы разработали, ещё одним свойством, характеризующим коллаген, — пьезоэлектричеством. Пьезоэлектричество — способность материала генерировать электрические токи и напряжение в результате приложения механической силы или, наоборот, создавать механическую силу в результате воздействия электрического поля».
В ходе исследования учёные создали нанометрические структуры из ранее спроектированного материала и с помощью передовых нанотехнологических инструментов подвергли их механическому давлению. Эксперимент показал, что материал действительно производит электрические токи и напряжение в ответ на давление. Более того, крошечные структуры размером всего в сотни нанометров продемонстрировали один из самых высоких уровней пьезоэлектрической способности из когда-либо обнаруженных, сравнимый или превосходящий уровень уже известных нам и доступных пьезоэлектрических материалов (большинство из которых — важный момент — содержат свинец и поэтому не подходят для медицинского применения).
По мнению исследователей, открытие пьезоэлектричества такой силы в нанометрическом материале очень важно, так как показывает способность проектируемого материала служить своего рода крошечным двигателем для очень маленьких устройств. В планах команды Эхуда Газита — с помощью кристаллографии и вычислительных квантово-механических методов понять механизм пьезоэлектрического поведения материала и тем самым получить возможность создавать биомедицинские устройства на его основе.
Профессор Газит добавляет:
«Большинство известных нам сегодня пьезоэлектрических материалов — токсичные составы на основе свинца или полимеры, что означает, что они не являются экологически чистыми и безвредными для человеческого организма. Однако наш новый материал полностью биологичен и поэтому пригоден для использования в организме. А устройство, сделанное из него, может быть альтернативой нуждающейся в регулярной замене батарее, дающей энергию имплантатам, таким как кардиостимуляторы. Движения тела, например, сердцебиение, движения челюстей, движения кишечника или любые другие движения, производимые организмом регулярно, будут заряжать устройство электричеством и непрерывно питать имплантат».
