Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
Рис. 1. График сила-растяжение для отдельных молекул, полученный при помощи АСМ для двух различных последовательностей доменов
Рис. 2. Механический гистерезис образцов при различных деформациях: (G–R)4 (слева) и GRG5RG4R (справа). G - упорядоченный домен, R - домен резилина
Рис. 3. Зависимость гистерезиса от соотношения между числом упорядоченных и неупорядоченных доменов, пунктирная линия соответствует чистому резилину
Рис. 4. Остаточный гистерезис при различных степенях разгрузки в цикле нагрузка-разгрузка
Рис. 5. Влияние наличия мочевины в растворе:
а - сравнение графиков сила-растяжение в случае фосфатно-солевого буфера и 4М мочевины
b - зависимость модуля Юнга от концентрации

Механические свойства мышц: биомиметический подход

Ключевые слова:  биомиметика, механика

Опубликовал(а):  Бородинов Николай Сергеевич

17 июня 2010

В последнее время особую популярность в исследовательских кругах получил синтетический подход, называемый биомиметика. Его можно кратко описать так: биомиметика представляет собой синтез материалов, сходных по структуре с природными, ожидая, что свойства искусственно синтезированного материала будут также схожи со свойствами природного. Эта тенденция может быть объяснена довольно просто: в природе существует ряд материалов, обладающих уникальными свойствами, и использование принципов организации этих структур в синтетической практике может существенно продвинуть существующие технологии вперед.

В данной статье авторы задались амбициозной целью – создать материал, который по механическим свойствам воспроизводил бы мышцу. Благодаря титину, особому белку, мышцы отличаются растяжимостью, эластичностью, высоким пределом прочности (для биоматериалов). Причина проявления таких уникальных свойств заключается в композитной структуре титина: неупорядоченные кольцевые участки полипептидной цепи чередуются с иммуноглобулиноподобными телами. Соответственно, в качестве заменителя неупорядоченных участков исследователи взяли похожий по структуре белок резилин, а вместо упорядоченных тел – хорошо изученные домены GB1. При этом можно менять число и взаимное расположение таких участков и, таким образом, влиять на структуру конечного материала. Стоит отметить, что из отдельных молекул можно собрать изотропный материал при помощи связывания отдельных молекул в трехмерные сети.

Обратимся к рис.1, на котором приведен график сила-растяжение для отдельных молекул, полученный при помощи АСМ для двух различных последовательностей доменов. На первом этапе происходит упругое растяжение белковой цепи (до L0), после чего происходит скачкообразная «раскрутка» упорядоченных доменов, что совпадает с поведением природного титина. Важно отметить обратимый характер этих деформаций, причина которого состоит в том, что при «скачке удлинения» рвутся нековалентные связи (а именно водородные), которые восстанавливаются при снятии напряжения.

После химической сшивки полученный материал прошел серию механических испытаний (рис.2). Можно видеть, что в полученном материале сочетаются интересные свойства – при малых деформациях гистерезис практически отсутствует, но в дальнейшем он значительно увеличивается и начинает эффективно поглощать энергию при циклах нагрузки-разгрузки. Упругость серии материалов существенно зависит от соотношения количества упорядоченных и неупорядоченных доменов (рис.3) и увеличивается с увеличением количества резилина. В случае чистого резилина даже при 250% деформации не наблюдается существенного гистерезиса. Рис.4, на котором отражен результат приложения циклов нагрузки-разгрузки, отражает описанный механизм деформации – при полной разгрузке остаточная деформация равна 0, что соответствует восстановлению всех водородных связей, при частичной разгрузке остаточная деформация растет с увеличением нагрузки. Механическими свойствами полученного биокомпозита можно управлять при помощи изменения ионной силы раствора за счет частичной денатурации белка (рис.5).

Данная работа служит хорошим примером удачного применения биомиметики в современном материаловедении и наглядно демонстрирует все преимущества междисциплинарного подхода. Исходная статья «Designed biomaterials to mimic the mechanical properties of muscles» была опубликована 6 мая 2010 года в Nature.


Источник: Nature



Комментарии
Л В А, 18 июня 2010 13:28 
Это будет работать при достаточно тепличных условиях, а в реальной жизни, например при отрицательных температурах, скорее всего будут проблемы.

Это всё равно что заворачивать гидравлику в теплоизолирующий чехол и подводить обогрев.
Pavlykevycth Bogdan, 05 июня 2011 17:43 
"Не біжи поперед батька в пекло". Механические свойства это не термодинамика. Так что температура ни при чем!
А люди в мороз ходят все как Порфирий Иванов?
Some of Nature's Little Tricks :"we can't simply copy Nature's materials and structures, because some of what Nature does can't be imitated. We should let ourselves be inspired by Nature, but remember that we humans do things differently".... (MaterialsToday,2010, Volume 13, Issue 5, Pages 1-56; doi:10.1016/S1369-7021(10)70067-5)
"Это будет работать при достаточно тепличных условиях...".
Но
при работе мышцы обычно нагреваются. Попробуйте хотя бы побегать. Также и любой другой, даже неживой, материал. Например, возьмите школьную резинку и попытайтесь посжимать её или же любой металлический прут - посгибайте его. И то, и другое нагреется, а прутик при интенсивном сгибании в итоге сломается. Но при этом может сильно разогреться.
Pavlykevycth Bogdan, 05 июня 2011 17:45 
Комментарии не по существу! Биомеханики ВысМолПол нет!

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Цветок
Цветок

Конкурс логотипа ФНМ МГУ
Факультет наук о материалах МГУ имени М.В.Ломоносова объявляет творческий конкурс логотипа (эмблемы) ФНМ, работы принимаются с 21 августа до 15 сентября 2019 года. Участники - все, кто имеет или когда бы то ни было имел отношение к ФНМ МГУ: студенты, аспиранты, преподаватели, сотрудники, выпускники, а также все творческие люди из большой университетской семьи.

Продолжается прием статей в 11-й выпуск Межвузовского сборника научных трудов «Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов»
Продолжается прием статей в 11-й выпуск Межвузовского сборника научных трудов «Физико-химические аспекты изучения кластеров, наноструктур и наноматериалов»

Участие НТ-МДТ Cпектрум Инструментс в конференции “ГРАФЕН: МОЛЕКУЛА И 2D КРИСТАЛЛ”
Участие НТ-МДТ Cпектрум Инструментс в конференции “ГРАФЕН: МОЛЕКУЛА И 2D КРИСТАЛЛ” 5-9 августа 2019 года в Новосибирске

3D нанотехнологии в физике, химии, биологии, медицине и инженерном искусстве
И.В.Яминский
Материалы лекции проф. МГУ, д.ф.-м.н., генерального директора Центра Перспективных технологий И.В.Яминского "3D нанотехнологии в физике, химии, биологии, медицине и инженерном искусстве". 3D принтер, сканирующий зондовый микроскоп и фрезерный станок. Что общего между ними? Как конструировать их своими руками? Небольшой экскурс в практические нанотехнологии. Поучительная история о создании сканирующего туннельного микроскопа. От идеи до нобелевской премии за 5 лет. Взгляд в микромир – от атомов и молекул до живых клеток. Как взвесить массу одного атома? Вирусы и бактерии – наши друзья или враги? Медицинские приложения нанотехнологий – нанобиосенсоры для обнаружения биологических агентов.

Материалы и пленочные структуры спинтроники и стрейнтроники
В.А.Кецко
Девятый Наноград, проходивший в Ханты - Мансийске, собрал талантливых школьников, интересных лекторов и преподавателей в области наноматериалов, нанотехнологий и технопредпринимательства. В сообщении даны материалы лекции д.х.н., в.н.с. ИОНХ РАН В.А.Кецко "Материалы и пленочные структуры спинтроники и стрейнтроники".

Лекции и семинары от ФНМ МГУ на Нанограде
Е.А.Гудилин
Девятый Наноград, проходивший в Ханты - Мансийске, собрал талантливых школьников, интересных лекторов и преподавателей в области наноматериалов, нанотехнологий и технопредпринимательства. Ниже даны материалы лекций и семинаров представителя ФНМ МГУ проф., д.х.н. Е.А.Гудилина.

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.