Биомиметическая вода что это
Биомиметические материалы: как создают и применяют аналоги живых тканей?
Молекулы, клетки, ткани и живые организмы — это результат миллиардов лет эволюции, венец кропотливого природного отбора. В наше время появились и стремительно развиваются технологии, которые могут хотя бы частично воспроизвести некоторые структуры и процессы, давно и широко используемые природой. Перспективным потенциалом обладают биомиметические материалы, которые воспроизводят и имитируют природные системы
Биомиметики
Биомиметические материалы, или биомиметики (англ. biomimetic materials, biomimetics, bioinspired materials от греч. «bios» — жизнь и «mimeticos» — имитировать), создают на основе принципов, уже существующих в живой природе. Это макро-, микро- и наноразмерные синтетические структуры, которые представляют собой аналоги фрагментов тканей, органов или биологически активных продуктов метаболизма, повторяющих свойства живых систем.
Знания о структуре и функциях биологических молекул дают возможность синтезировать гибридные молекулы, включающие в себя пептиды, липиды и органические полимеры, а также создавать биомиметические нановолокна, бионеорганические композиты и нанопористые покрытия для применения в тканевой инженерии.
В медицине биомиметические материалы можно использовать для создания имплантов, искусственных сосудов, клапанов сердца, хрусталиков, синтетических почек, элементов эндопротезов суставов, искусственных сухожилий, мышечных связок, а также новых лекарственных средств. Большая группа биомиметических материалов представлена наночастицами и нанокомпозитами, которые начинают внедрять в ортопедии, травматологии, иммунологии, регенеративной и других направлениях медицины.
Обновление костной ткани
Одними из наиболее актуальных направлений применения биомиметических материалов являются имплантология и обновление поврежденных костных тканей. Содержащие наночастицы материалы и их композиты используют при разработке имплантов костной ткани, которые должны быть высокобиосовместимыми, эластичными, прочными, малотоксичными, а также содержать остеоиндуктивные факторы роста.
Биомиметические материалы на основе полимерных композитов можно использовать в регенеративной медицине для замещения поврежденных тканей большинства органов
В тканевой инженерии применяют карбоновые нановолокна, которые характеризуются высокой пористостью и служат прекрасной основой костной ткани подобно экстрацеллюлярному матриксу. Уже созданы полимерные нанокомпозиты на основе хитозана и карбоновых нанотрубок, а на основе хитозана и гидроксиапатита разработан полимерный нанокомпозит для регенерации костной ткани.
Процесс минерализации биокомпозитных материалов осуществляется благодаря их способности имитировать химический состав натуральной костной ткани. Регенерацию костной ткани при применении данных композитов связывают с интенсификацией роста остеобластов и увеличением их плотности.
Композит на основе поликогликолевой кислоты в сочетании с наночастицами кальция фосфата проявляет выраженный остеотропный эффект. Нанокомпозит, состоящий из нановолокна желатина, который покрыт двойным слоем кальция фосфата, обеспечивает капиллярный эффект и интенсифицирует построение костной ткани. Наночастицы кальция фосфата способствуют регенерации костной ткани благодаря активации остеобластов. С этой же целью используют наночастицы гидроксиапатита и титана, которые придают костному импланту шероховатость, пористость и способность абсорбировать протеины. Остеоинтеграция имплантов также повышается, если в титановые поверхности вживить наночастицы магния. С применением биомиметических материалов клетки костной ткани растут и пролиферируют после удаления опухолей, травм и при врожденных дефектах.
Уже получены позитивные результаты по созданию синтетических тканей глаза и фрагментов сосудов
Кибернетические ткани
Разработаны кибернетические ткани на основе гибкой полимернофной сетки с прикрепленными наноэлектродами или транзисторами. Благодаря большому количеству пор сетка имитирует естественные поддерживающие структуры ткани и не отторгается организмом. Датчики считывают физиологические параметры среды в режиме реального времени.
Мягкий каркас можно заселять нейронами, кардиомиоцитами, гладкомышечными клетками. Сердечный «пластырь» из живых клеток сердца с внедренной наноэлектроникой передает информацию об окружающей среде и частоте сердечных сокращений в режиме реального времени. При необходимости лечащий врач с помощью пластыря может стимулировать работу сердца или запускать выброс необходимых активных молекул.
Самый маленький в мире двигатель работает на реактивной тяге, которая создается за счет реакции между ферментом уреазой и мочевиной
Исследователи из Гарвардского университета успешно имплантировали биомиметическую сетку в мозг крысы для изучения активности и стимуляции отдельных нейронов. Это устройство может помочь в лечении многих болезней, в частности ученые исследуют его потенциал для лечения болезни Паркинсона.
Полимерные нанокомпозиты
Биомиметические материалы на основе полимерных композитов можно использовать в регенеративной медицине для замещения поврежденных тканей большинства органов. Следует отметить, что полимерные материалы (полиэтилен, полипропилен, фторопласт, силиконы, полиэтилен метакрилат и др.) сохраняют свои свойства при изменениях условий окружающей среды. Поэтому их можно применять для создания искусственных сосудов, клапанов сердца, хрусталиков, элементов эндопротезов суставов, искусственных сухожилий, мышечных связок, деталей аппаратов искусственного сердца и искусственной почки.
Уже получены позитивные результаты по созданию синтетических тканей глаза и фрагментов сосудов.
Композиты на основе поликогликолевой кислоты с поликапролактоном обеспечивают термостабильность, поэтому их применяют для регенерации органов пищеварительного тракта, печени, почек, а также с целью визуализации при диагностике заболеваний в гастроэнтерологии, гепатологии и нефрологии.
Существуют биомиметические нановолокна, которые способны поддерживать клеточную толерантность стволовых клеток и способствовать их приживлению. Биомиметические материалы могут выступать в роли нанороботов и как прототипы систем функциональных возможностей живых клеток.
Нанороботы и нанодвигатели
При изучении устройства клеточных жгутиков и других систем микроскопического транспорта всегда возникает аналогия со схемой устройства двигателей, которые созданы и используются человеком. Комбинируя механические и биологические средства передвижения, можно заставить эти компоненты дополнять друг друга.
Например, разработан спермбот для «ленивых» сперматозоидов, который представлен крошечными металлическими спиралями. Они оборачиваются вокруг сперматозоида и стимулируют продвижение клетки вперед, направляя малоподвижный сперматозоид к яйцеклетке. С помощью такого наноробота можно решить проблему мужского бесплодия, основная причина которого заключается в недостаточной подвижности сперматозоидов.
Самый маленький в мире двигатель работает на реактивной тяге, которая создается за счет реакции между ферментом уреазой и мочевиной. Это нанотрубка из кремния диоксида, диаметр отверстия которой составляет 220 нм. Стенки ее покрыты ферментом уреазой, расщепляющим мочевину на аммиак и углекислоты. Если ферментативный нанодвигатель поместить в жидкость с мочевиной, произойдет реакция, а выбрасываемые продукты задают импульс движения. Причем скорость в направлении, обратном выбрасываемому потоку, достигает 4 см/ч.
Существуют аналоги таких самоходных нанороботов на ферментативном двигателе, использующие катализаторы, в которых водорода пероксид расщепляется на водород и кислород. Однако и пероксид, и пузырьки газа нежелательны для организма, а мочевина — естественный продукт человеческого метаболизма, который содержится во многих жидкостях и тканях тела, в том числе в крови.
Кроме того, биомиметические материалы очень перспективны при создании синтетических структур, которые имитируют процессы самоорганизации в разных биосистемах, например, активность биомоторов АТФ и ДНК-полимераз.
Развивитие технологий биомиметического получения наночастиц имеет ряд преимуществ, поскольку биомиметический синтез проходит в более мягких условиях, чем получение наночастиц с помощью физико-химических методов. А в масштабах промышленного производства это значительно уменьшает негативное воздействие на окружающую среду
Самосборка наночастиц
Принцип комплементарности, лежащий в основе сборки молекул ДНК, используют в ДНК-конструировании новых наноматериалов. Многие биомолекулы обладают свойством самосборки в регулярные структуры, например, сократительный белок актин полимеризуется в филаменты толщиной 7 нм, а белок тубулин — в микротрубочки диаметром 25 нм.
Использование принципа самосборки и самих биоструктур в качестве матриц позволяет создавать нанопроводники и нанотрубки путем осаждения на биополимеры монослоев металлов.
Белок ферритин, выполняющий функцию переносчика и хранилища железа в организме, формирует нанополости, диаметр внутреннего пространства которых составляет 8 нм. В них удается получать магнитные наночастицы железа оксида и кобальта размером около 6 нм.
Другие подходы используют «выращивание» наночастиц заданного размера в бактериях или в биомассе растений (овса, пшеницы, люцерны). К этим биообъектам добавляют соли металлов, которые восстанавливаются в процессе биокатализа до металлов и формируют наночастицы.
Разработаны методы получения металлических наночастиц в живых растениях путем добавления солей металлов в воду для полива. Наночастицы образуются в стеблях и других частях растений и могут быть выделены оттуда путем экстракции. Размер формирующихся наночастиц задают белки, участвующие в восстановительных реакциях.
Наночастицы можно формировать и с помощью вирусных оболочек — капсидов. Белки вирусного капсида собираются в геометрически правильные пространственные структуры с полостью внутри, куда можно упаковывать наночастицы. Причем калиброванные металлические наночастицы и нанокомпозиты высокой степени упорядоченности можно собирать как внутри капсида, так и на его поверхности.
Переносчики лекарственных средств
Полимерные наночастицы и наночастицы некоторых металлов могут служить переносчиками лекарственных средств. Полисол, синтезированный на основе глицерола в сочетании с кремния диоксидом, может выступать в качестве переносчика доксорубицина гидрохлорида. Полистерола сульфат, покрытый слоем аммония диоктадецилдиметила, как и кремнезем, покрытый слоем фосфатидилхолина, можно использовать как транспортеры миконазола.
Следует отметить, что развитие технологий биомиметического получения наночастиц имеет ряд преимуществ, поскольку биомиметический синтез проходит в более мягких условиях, чем получение наночастиц с помощью физико-химических методов. А в масштабах промышленного производства это значительно уменьшает негативное воздействие на окружающую среду.
Татьяна Кривомаз, д-р техн. наук, канд. биол. наук, профессор
Нанотехнологии включают в себя манипулирование молекулами и построение структур размерами порядка нескольких нанометров. Однако некоторые живые организмы делают это уже на протяжении 3.8 миллиардов лет. Живая клетка использует ДНК, РНК и большое количество белков для того, чтобы построить клеточные органеллы нанометровых размеров. Поэтому для нанотехнологов логично было бы воспользоваться природными примерами для построения наномашин, в природе не существующих.
Биомиметические нанотехнологии находятся сегодня в зачаточном состоянии. Многие открытия пока не могут быть коммерциализованы, но их развитие в будущем позволит существенно помочь при создании наномашин.
Имитируя природу
Исследователи использовали несколько методов для имитации природы на нанометровом уровне. Один из подходов – создание материалов с уникальными свойствами с использованием примеров, уже имеющихся в природе. Так, например, маленькая ящерица геккон может ползать практически по любой поверхности. Для того, чтобы имитировать свойства геккона, необходимо было сначала разобраться в механизме работы его лапок. Эта работа была проделана в центре нанотехнологий в Манчестере. Результаты исследований показали, что на лапках у геккона расположен ряд кератиновых волосков размерами около 200 нм. Капиллярные силы помогают геккону ползать по влажным поверхностям, а силы Ван-Дер-Ваальса – по сухим. Каждая волосинка связывается с поверхностью с силой в 10 –7 Н. Благодаря высокой плотности волосков на лапках геккона сила связи значительно увеличивается. Так поверхность размерами 10х10 см, состоящая из волосков кератина, может удерживать груз в 100 кг.
Гекконы могут ползать по любой поверхности сверху вниз благодаря специфическому строению кожи, покрывающей их лапки (справа). Изготовленные по «технологии геккона» искусственные волокна (с помощью электронно-лучевой литографии) показали адгезию в 30% от аналогичного природного материала (слева)
Команда из Манчестера решила продолжить исследования, попробовав сконструировать такой же массив нановолокон. Однако в изготовленном с помощью электронно-лучевой литографии образце только некоторые волокна смогли эффективно соединяться с поверхностью. Это связано с тем, что выращенные исследователями пластиковые волокна жестче, чем аналогичные у геккона. Далее, экспериментируя, исследователи нашли оптимальный вариант геометрии поверхности – диаметр волокон 500 нм, расстояние между волокнами – 1,6 мкм, и длина – 2 мкм. Полученная поверхность 10х10 см смогла удержать всего 30 кг, т.е. была хуже природной.
Дальнейшие эксперименты с гекконом показали, что присоединение лапок к поверхности происходит в несколько приемов. Исследователи решили материалы в будущем делать гидрофобными (подобно кератину геккона). По теории, волокна из такого материала не будут прилипать друг к другу. И, конечно же, встал вопрос о массовом выпуске «гекконовых лапок» с помощью не столь дорогих технологий, как электронно-лучевая литография.
Конструируя из белков
Живые организмы конструируют необходимые продукты из белков, поэтому исследователи заинтересовались тем, как с помощью белков можно искусственно создать различные наноструктуры. Некоторые белки, например, могут формировать регулярные структуры в виде кристаллических решеток, которые можно использовать при конструировании наномашин и в наноэлектронных устройствах.
Реконструкция рельефа кристализированного белка Bacillus sphaericus CCM2177 с помощью сканирующего электронного микроскопа. Расстояния между центрами решетки – 13.1 нм
Бактерии на своей поверхности формируют одномолекулярные слои кристаллического белка, называемые S-слои, которые повторяются с 10 нм шагом. Исследователи из наноцентра в Вене, Австрия, решили использовать эти естественные «сверхрешетки» для построения искусственных белковых структур. В первую очередь S-слой был удален с поверхности бактерии и разбит на «субъединицы». Далее, поместив субъединицы в раствор, исследователи добились их реорганизации на кремниевых и металлических подложках, а также на других синтетических полимерах. Как только S-слой помещен на подложку, к нему можно добавить специальные сенсорные молекулы, которые вместе со слоем образуют точный биоаналитический сенсор. Так, например, исследователями был создан сенсор глюкозы на основе S-слоя и молекулы фермента оксидазы глюкозы. Исследователи измеряли величину электрического тока, проходящего через сенсор, в то время как фермент реагировал с глюкозой. Исследователи также использовали S-слой в качестве фоторезиста в современной фотолитографии. Выдерживание слоя в ультрафиолетовом излучении полностью уничтожает его. Однако толщина слоя – всего 5–10 нм. Современные фоторезистивные материалы имеют гораздо большую толщину.
Делаем гибридные материалы
Другие исследователи поставили перед собой цель, которой достичь еще сложнее. Они решили конструировать из белков и неорганических соединений такие структуры, которых в природе еще не существует. Однако до сих пор исследователи не могут точно определить, как именно белки будут собираться из аминокислот (это назвали проблемой фолдинга белка), и поэтому нельзя аналитически просчитать необходимую структуру белка. Исследователи выбрали альтернативный подход: сборку случайного белка из большого количества разных аминокислот. Это можно сделать с помощью генной инженерии бактериофагов. Исследователи из Массачусетского технологического института (МТИ) взяли молекулу ДНК со случайной последовательностью нуклеотидов, кодирующих различные белки, и включили ее в состав ДНК бактериофага в таком участке, что белки на ДНК-доноре синтезировались на поверхности вируса. Колония таких бактериофагов была помещена в среду, к которой исследователи хотели добиться адгезии белков. Потом поверхность была промыта. После этого на ней остались только те вирусы, на поверхности которых белки были адгезивны субстрату. Отобранные вирусы поместили в новую среду и добились роста их колонии. Так опытным путем можно создать белки, которые будут соединяться с различными материалами, образуя новые структуры. Исследователи надеются создать «библиотеку» вирусов, производящих белки, адгезивные к золоту, платине, серебру, оксиду цинка, арсениду галлия и др.
ДНК-фрагменты, кодирующие различные белки, внедряют в ДНК бактериофага, который синтезирует эти белки на своей поверхности. Вирус размножается, образуя длинные нити, покрытые металлом, которые можно использовать в наноэлектронике и наносистемах.
На основе таких белков, соединенных с неорганическими веществами, можно сконструировать ряд квантовых точек, которые получают сегодня с помощью вакуумных технологий. Сборка квантовых точек с помощью гибридных белков может происходить при комнатной температуре и быть гораздо дешевле. Также такие белки могут пригодиться при создании наномашин. Исследователи из МТИ обнаружили, что бактериофаги «собираются» в длинные нити. Их внешние белки, соединенные с сульфидом цинка (или сульфидом кадмия), образуют длинные (600 нм) электропроводящие нанонити диаметром 20 нм. Нагревая полученную структуру до 350 °C, исследователи обнаружили, что бактериофаги удаляются, оставляя одну металлическую нить. Использованные в этом опыте вирусы состоят всего из шести белков, два из которых соединяются с неорганикой. Исследователи хотят продолжить эксперименты с более сложными (в белковом составе) вирусами для того, чтобы получить трехмерные проводящие структуры.
«Поделки» из молекул ДНК
Для производства белков необходима молекула ДНК определенной структуры. Но другим биомиметическим подходом является использование ДНК как строительного материала для наносистем. Эту идею развил Нэдриан Симэн, профессор химии из Нью-йоркского университета. Он достиг того, что молекула ДНК образует двумерные и трехмерные структуры. Сама по себе молекула ДНК слишком «мягкая» для того, чтобы сформировать жесткую структуру. Но если соединить две молекулы, то полученная ДНК (DX ДНК) будет жесткой. До 2000 года Симэн строил из этих молекул двухмерные и трехмерные структуры.
Две молекулы ДНК (красным и голубым) соединены с помощью «мостика» (желтым), который трансформирует B-ДНК (сверху) в Z-ДНК(снизу) путем добавления хлорида гексааминокобальта (III) (причем процесс обратим). Новая структура послужит базой для будущих наномеханических устройств
Недавно команда смогла сделать «шагающего» наноробота, использовав оригинальный принцип: робот поочередно то присоединяет свои «ноги», состоящие из фрагментов ДНК, к базовой молекуле ДНК, то отсоединяет их от нее, продвигаясь таким образом вперед.
Почему исследователи использовали именно молекулы ДНК? На это есть две причины. Первая: цепи ДНК легко соединяются друг с другом, образуя комплементарные пары. Однако две отдельные цепи ДНК просто соединятся в одну молекулу, образуя комплементарную последовательность нуклеотидов, поэтому для того, чтобы добиться эффекта присоединения/отсоединения цепей, необходимо точно контролировать последовательности нуклеотидов. Вторая: исследователи надеются, что можно будет создать более сложных ДНК-роботов в больших количествах, используя репликативную инженерию живых клеток.
Каждая из ног состоит из 36 нуклеотидов (в длину) и сформирована из двух цепей ДНК, которые образуют двойную спираль. Сверху «ног» расположена еще одна упругая часть ДНК, связывающая обе «ноги» вместе. Снизу одна цепь молекулы ДНК длиннее другой, что дает возможность присоединять и отсоединять «ноги» от базовой молекулы ДНК (подробнее мы писали ранее здесь: http://www.nanonewsnet.ru/index.php?…).
Конечно, как и говорилось выше, это только первые пробы биомиметики в нанотехнологиях. Не следует забывать о том, что природные наномашины пока совершеннее и проще тех, которые планирует изготовить человек, поэтому исследователи изучат в первую очередь то, что предлагает нам природа.
Автор Эрик Лернер, перевод Свидиненко Юрия
Биомиметики
СОДЕРЖАНИЕ
История [ править ]
Давайте рассмотрим, что бионика стала означать в практическом плане и что она или какое-то подобное слово (я предпочитаю биомиметика) должны означать, чтобы эффективно использовать технические навыки ученых, специализирующихся, или, скорее, я бы сказал, не специализирующихся в этой области. область исследования.
Один из последних примеров биомимикрии был создан Йоханнесом-Полем Фладерером и Эрнстом Курцманном под описанием «managemANT». [13] Этот термин (сочетание слов «менеджмент» и «муравей») описывает использование поведенческих стратегий муравьев в экономических и управленческих стратегиях. [14]
Биологические технологии [ править ]
Передвижение [ править ]
Дизайн крыла самолета [17] и техника полета [18] вдохновлены птицами и летучими мышами. В аэродинамике обтекаемой конструкции улучшены японский скоростной поезд Синкансэн серии 500 были смоделированы после того, как клюв зимородка птицы. [19]
Биомиметическая архитектура [ править ]
Живые существа адаптировались к постоянно меняющейся среде в процессе эволюции посредством мутации, рекомбинации и отбора. [22] Основная идея биомиметической философии заключается в том, что обитатели природы, включая животных, растения и микробы, имеют наибольший опыт в решении проблем и уже нашли наиболее подходящие способы выжить на планете Земля. [23] Точно так же биомиметическая архитектура ищет решения для обеспечения устойчивости, присутствующей в природе.
Характеристики [ править ]
Термин «биомиметическая архитектура» относится к изучению и применению принципов строительства, которые встречаются в естественной среде и биологических видах, и переводятся в дизайн устойчивых решений для архитектуры. [22] Биомиметическая архитектура использует природу в качестве модели, меры и наставника для предоставления архитектурных решений в разных масштабах, которые вдохновлены естественными организмами, которые решили аналогичные проблемы в природе. Использование природы в качестве меры относится к использованию экологического стандарта для измерения устойчивости и эффективности антропогенных инноваций, в то время как термин наставник относится к изучению естественных принципов и использованию биологии в качестве источника вдохновения. [12]
Процедуры [ править ]
В биомиметической архитектуре можно выделить две основные процедуры, а именно: восходящий подход (биология) и нисходящий (технологический) подход. [26] Граница между двумя подходами размыта с возможностью перехода между ними в зависимости от каждого отдельного случая. Биомиметическая архитектура обычно выполняется междисциплинарными группами, в которых биологи и другие естествоиспытатели работают в сотрудничестве с инженерами, материаловедами, архитекторами, дизайнерами, математиками и компьютерными специалистами.
При восходящем подходе отправной точкой является новый результат фундаментальных биологических исследований, перспективный для применения в биомиметике. Например, разработка системы биомиметических материалов после количественного анализа механических, физических и химических свойств биологической системы.
При нисходящем подходе поиск биомиметических инноваций осуществляется для уже существующих разработок, которые были успешно внедрены на рынок. Сотрудничество направлено на улучшение или дальнейшее развитие существующего продукта.
Примеры [ править ]
Исследователи из Римского университета Ла Сапиенца были вдохновлены естественной вентиляцией термитников и спроектировали двойной фасад, который значительно сокращает освещенные участки в здании. Ученые имитировали пористую природу стен насыпей, спроектировав фасад с двойными панелями, которые смогли уменьшить тепло, получаемое за счет излучения, и увеличить потери тепла за счет конвекции в полости между двумя панелями. Общая охлаждающая нагрузка на энергопотребление здания была снижена на 15%. [28]
Подобное вдохновение было почерпнуто из пористых стен термитников, чтобы спроектировать фасад с естественной вентиляцией и небольшим вентиляционным зазором. Такая конструкция фасада способна вызывать воздушный поток за счет эффекта Вентури и непрерывно циркулирует восходящий воздух в вентиляционной прорези. Наблюдалась значительная передача тепла между внешней поверхностью стены здания и проходящим над ней воздухом. [29] Дизайн сочетается с озеленением фасада. Зеленая стена способствует дополнительному естественному охлаждению растений за счет испарения, дыхания и транспирации. Влажный субстрат для растений дополнительно усиливает охлаждающий эффект. [30]
Ученые из Шанхайского университета смогли воспроизвести сложную микроструктуру сети трубопроводов из глины в насыпи, чтобы имитировать превосходный контроль влажности в насыпях. Они предложили пористый материал для контроля влажности (HCM) с использованием сепиолита и хлорида кальция с содержанием адсорбции-десорбции водяного пара 550 граммов на квадратный метр. Хлорид кальция является осушителем и улучшает адсорбционно-десорбционные свойства водяного пара Bio-HCM. Предлагаемый био-HCM имеет режим межволоконных мезопор, который действует как мини-резервуар. Прочность на изгиб предложенного материала была оценена в 10,3 МПа с помощью компьютерного моделирования. [31] [32]
В области структурной инженерии Швейцарский федеральный технологический институт ( EPFL ) включил биомиметические характеристики в адаптивный развертываемый мост «тенсегрити». Мост может проводить самодиагностику и самостоятельный ремонт. [33] расположение листьев на растении было адаптировано для лучшего сбора солнечной энергии. [34]
Анализ упругой деформации, происходящей, когда опылитель приземляется на похожую на оболочку часть цветка Strelitzia reginae (известного как цветок райской птицы ), вдохновил архитекторов и ученых из Университета Фрайбурга и Университета Штутгарта на создание бесшарнирного затенения. системы, которые могут реагировать на окружающую среду. Эти био-продукты продаются под названием Flectofin. [35] [36]
Конструкционные материалы [ править ]
Перламутр демонстрирует аналогичные механические свойства, но имеет более простую структуру. Перламутр имеет структуру, похожую на кирпич и раствор, с толстым минеральным слоем (0,2
0,9 мкм) плотно упакованных структур арагонита и тонкой органической матрицей (
20 нм). [41] Хотя тонкие пленки и образцы микрометрового размера, которые имитируют эти структуры, уже производятся, успешное производство объемных биомиметических конструкционных материалов еще не реализовано. Однако для производства перламутровидных материалов были предложены многочисленные методы обработки. [39]
Литье замораживанием (ледяной шаблон), недорогой метод имитации естественных слоистых структур, был использован исследователями из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли для создания слоистых композитов из оксида алюминия-Al-Si и IT-HAP-эпоксидной смолы, которые соответствуют механическим свойствам кости с эквивалентным минералом / органическое содержание. [43] В различных дальнейших исследованиях [44] [45] [46] [47] также использовались аналогичные методы для производства высокопрочных и высокопрочных композитов, включающих различные составляющие фазы.
Также была реализована новая керамика с гигантским электретным гистерезисом. [54]
Материалы для самовосстановления [ править ]
Свойства самовосстановления также могут быть достигнуты путем разрыва и преобразования водородных связей при циклическом воздействии на материал. [60]
Поверхности [ править ]
Биомиметики поверхностного натяжения исследуются для таких технологий, как гидрофобные или гидрофильные покрытия и микроактюаторы. [62] [63] [64] [65] [66]
Адгезия [ править ]
Мокрая адгезия [ править ]
Сухая адгезия [ править ]
Оптика [ править ]
Вдохновение от фруктов и растений [ править ]
Структурные цвета также были обнаружены у некоторых водорослей, таких как красная водоросль Chondrus crispus (ирландский мох). [78]
Вдохновение от животных [ править ]
Сельскохозяйственные системы [ править ]
Другое использование [ править ]
Некоторые системы кондиционирования воздуха используют биомимикрию в своих вентиляторах для увеличения потока воздуха при одновременном снижении энергопотребления. [103] [104]
Другие технологии [ править ]
Большинство вирусов имеют внешнюю капсулу диаметром от 20 до 300 нм. Капсулы вируса необычайно прочные и способны выдерживать температуры до 60 ° C; они стабильны в диапазоне pH 2-10. [42] Вирусные капсулы могут использоваться для создания компонентов наноустройств, таких как нанопроволоки, нанотрубки и квантовые точки. Трубчатые вирусные частицы, такие как вирус табачной мозаики (TMV), можно использовать в качестве матрицы для создания нановолокон и нанотрубок, поскольку как внутренний, так и внешний слои вируса являются заряженными поверхностями, которые могут вызывать зарождение кристаллов. Это было продемонстрировано путем производства платиновых и золотых нанотрубок с использованием TMV в качестве шаблона. [112] Было показано, что минерализованные вирусные частицы выдерживают различные значения pH за счет минерализации вирусов с помощью различных материалов, таких как кремний, PbS и CdS, и поэтому могут служить полезными носителями материала. [113] Сферический вирус растений, называемый вирусом хлоротической крапчатости вигны (CCMV), обладает интересными способностями к расширению при воздействии сред с pH выше 6,5. Выше этого значения pH 60 независимых пор диаметром около 2 нм начинают обмениваться веществом с окружающей средой. Структурный переход вирусного капсида может быть использован в биоморфной минерализации.для избирательного поглощения и отложения минералов путем регулирования pH раствора. Возможные применения включают использование вирусной клетки для получения полупроводниковых наночастиц с квантовыми точками одинаковой формы и размера посредством серии промывок pH. Это альтернатива методике апоферритиновой клетки, которая в настоящее время используется для синтеза однородных наночастиц CdSe. [114] Такие материалы также могут быть использованы для адресной доставки лекарств, поскольку частицы высвобождают содержимое при воздействии определенных уровней pH.