Perinereis cultifera теңіз құртының биология мен металл арасындағы шекараны бұлдырататын жақтары бар. Ақуыздар мен металл иондарынан жасалған бұл ежелгі теңіз құртының тістеу мүшелері ұштарына қарай қатайып, мыс немесе күміске ұқсас әрекет етеді.
Вена технологиялық университеті мен Вена университетінің зерттеушілері Biophysics Reviews журналында осы ерекше механикалық қасиеттерді зерттеді. Олардың жұмысы полимер тәрізді құрылымдарды металдарға тән қаттылық пен деформация қасиеттерімен біріктіретін табиғи материалдарды сипаттайтын ұсынылған «биометалдар» санатын қолдайды.
Бұл термин «металл тәрізді биоматериалдар» сияқты белгілерге қарағанда нақтырақ. Зерттеушілер биометалдарды үш критерий бойынша бағалау керек деп тұжырымдайды: қаттылық, деформациялық мінез-құлық және иондық-ақуыздық құрылым.
Бүгінгі күнге дейін сақталған жыртқыш қылшық құрт Perinereis cultifera зерттеуге пайдалы мысал бола алады. Оның жақтарында металл иондарымен байланысқан құрылымдық ақуыздар бар. Құрт бұл ақуыздарды тістеу, жаншу және жеу үшін пайдаланады.
Қатты ұштар жақтың біркелкі емес орналасуынан туындайды.
Зерттеу тобы жақ сүйегінің тек ортаңғы жағын ғана емес, бүкіл жағын тексерді. Олар жақ сүйегінің орталық және апикальды бөліктеріндегі 11 орынды тексерді.
Наноинденция деп аталатын әдісті қолдана отырып, зерттеушілер материалға алты түрлі тереңдіктегі кішкентай зондты басты. Бұл әдіс микроскопиялық ойықтар жасайды және үлгінің оларға қаншалықты төзімді екенін өлшейді.
Химиялық талдау және бейнелеу металл иондарының концентрациясы жақ ұштарының жанында орталыққа қарағанда жоғары екенін көрсетті. Бұл үлгі бұрынғы бақылауларды растады және жақ ұштарының неліктен қаттырақ екенін түсіндіреді.
Жақтың қаттылығы барлық шкалалар бойынша біркелкі болған жоқ. Таяз ойықтар терең ойықтарға қарағанда үлкен кедергіге тап болды, бұл жақтың кішірек бөліктері қаттырақ болып көрінді дегенді білдіреді.
Бұл мінез-құлық наноиндеудегі Nix-Gao өлшемдік эффектісіне сәйкес келеді, бұл байланыс әдетте кристалды металдарда байқалады. Осы қатынасқа сәйкес, қаттылықтың квадраты ойық тереңдігі азайған сайын артады.
Мыс пен күміс ұқсас үлгіні көрсете алады. Бұл материалдарда бұл әсер әдетте атом торындағы сызықтық тепе-теңдіктің бұзылуы болып табылатын дислокациялармен байланысты.
Құрттың жақ сүйегінде дәстүрлі металл кристалдық тор жоқ. Оның орнына, оның құрылымы иондық үйлесімді ақуыздардан тұрады. Дегенмен, оның қаттылығы орталық және терминальды аймақтарда бірдей өлшемге тәуелді заңға сәйкес келді.
Ақуыз матрицасы ішіндегі металл тәрізді әсер
Алынған нәтижелер деформация градиентіне негізделген пластикалықтың осы биологиялық материалда да жұмыс істейтіні туралы бұрынғы тұжырымдарды растайды. Деформация материалдың күш әсерінен пішінін қалай өзгертетінін сипаттайды. Деформация градиенті бұл деформацияның кеңістікте қалай өзгеретінін сипаттайды.
Өте таяз тереңдікте деформация қысқа қашықтықта күрт өзгереді. Бұл деформацияға төзімділікті арттырып, зерттелетін аймақта қаттылықтың жоғарылауы туралы әсер қалдыруы мүмкін.
Бұл жаңалық таңқаларлық, себебі Никс-Гао эффектісі кристалды металдардың маңызды ерекшелігі болып саналады. Оның ақуызға негізделген жақ сүйегінде ашылуы ұқсас механикалық мінез-құлықтың мүлдем басқа микроскопиялық құрылымда орын алуы мүмкін екенін көрсетеді.
Зерттеушілер тек қаттылықты өлшеумен шектелмеді. Олардың өлшеулері серпімділіктің өлшемге тәуелді өзгерісін де анықтады.
«Қылшық құрттардың жақ сүйектері өлшемге тәуелді серпімділікті де көрсетті — бұл биометалдардың мыс немесе күміс сияқты стандартты кристалды металдармен салыстырғандағы ерекшелігі», — дейді автор Кристиан Хеллмич.
Серпімділік материалдың қалай деформацияланатынын және содан кейін бастапқы пішініне қалай оралатынын сипаттайды. Қылшық құрттың жақ сүйегінде бұл реакция зерттелетін аймақтың көлеміне байланысты өзгеріп отырды.
Мыс пен күміс өлшемге тәуелді қаттылық әсерін көрсетуі мүмкін, бірақ олар жақ сүйегі үшін сипатталғандай серпімді құрылымды көрсетпейді. Бұл айырмашылық биометалдарды кәдімгі кристалды металдардан ажыратуға көмектеседі.
Кішігірім масштабтағы күштерді модельдеу
Серпімділік әсерін түсіндіру үшін топ «көпқырлы микромеханикаға» негізделген математикалық модельдеуді қолданды. Бұл тұжырымдама ұсақ құрылымдық күштерді материалдың үлкен механикалық реакциясымен байланыстырады.
Зерттеушілер Пич-Кёлер күштері деп аталатын шоғырланған микроскопиялық күштерді зерттеді. Бұл күштер иондық үйлестірілген ақуыз матрицасының ішіндегі дислокациялық қатпарлармен байланысты.
Модельге сәйкес, бұл қатпарлар эксперименттерде көрсетілген масштабтағы материалға әсер ететіндей үлкен деформация градиенттерін жасай алады. Бұл нәтиже серпімділіктің ойық тереңдігімен өзгеруінің теориялық түсіндірмесін ұсынады.
Бұл жұмыс биометаллдың ұсынылған анықтамасының үш бөлігін біріктіреді. Жақ ерекше қаттылықты, өлшемге тәуелді деформация механикасын және иондық үйлестірілген ақуыздардан жасалған құрылымды біріктіреді.
Жіктеу жақтың кәдімгі металдан жасалғанын мәлімдемейді. Керісінше, ол ескі сипаттамаларға сәйкес келмейтін қасиеттердің тіркесімін таниды.
Бұл айырмашылық маңызды, себебі «металл тәрізді биоматериал» сияқты сөз тіркестері металл тәрізді беріктікке немесе өткізгіштікке ие табиғи заттарды кеңінен сипаттай алады. Биометалл тұжырымдамасы құрылымдық және механикалық талаптарды қосады.
Ежелгі материалдар жаңа сұрақтар туғызады.
Алынған деректер бір түрдің бір жақ сүйегіне негізделген. Топ басқа қылшық құрттарды зерттеуді және тәжірибелік дерекқорды кеңейтуді жоспарлап отыр.
Үлгі көлемінің үлкен болуы бізге әртүрлі түрлерде қаттылық пен серпімділіктің ұқсас үлгілерінің байқалатынын көрсетуге мүмкіндік береді. Бұл сондай-ақ ұсынылған жіктеудің теориялық негізін нақтылауға көмектеседі.
«Біз теориялық тұжырымдаманы нақтылау және нақты есептеулер жүргізу үшін қосымша түрлерді зерттеу арқылы эксперименттік дерекқорды кеңейтуді жоспарлап отырмыз, және, мүмкін, ең қызығы, генетикалық араласулар мен тиісті материалдарды жобалау кеңістігі арасындағы байланысты зерттеу», - деді Хеллмич.
«Мұның бәрі табиғатта кездесетін және ол жаратқан сұлулыққа, әсемдікке және талғампаздыққа шынайы ләззат сыйлайды».
Жоспарланған генетикалық зерттеулер тағы бір сұрақ туғызады: гендердегі өзгерістер жақтың құрамы мен механикалық қасиеттерін өзгерте ала ма?.
Зерттеу енді бұл жақтарды бөлек материал ретінде қарастырудың айқынырақ эксперименттік негізін ұсынады. Полимер мен металл қасиеттерінің үйлесімі оларды биологиялық және материалтану тұрғысынан ерекше етеді.
Зерттеудің практикалық салдары
Биометалдардың нақты анықтамасы биофизиктерге ақуыз құрылымдарын нығайту үшін иондарды пайдаланатын табиғи материалдарды салыстыруға көмектесе алады. Бұл сондай-ақ дәстүрлі металл торынсыз қаттылық пен серпімділіктің қалай пайда болатынын зерттеуге көмектеседі.
Түрлердің көп санын зерттеу қандай белгілердің кең таралғанын және қандай белгілердің нақты құрт түрлеріне тән екенін анықтауға мүмкіндік береді. Мұндай салыстырулар деформация, стресс және ион-ақуыздың ұйымдастырылу модельдерін жетілдіруге көмектеседі.
Бұл зерттеу генетикалық модификациялардың материалдардың қасиеттеріне қалай әсер ететінін зерттеуге негіз қалайды. Мұндай жұмыс тірі организмдердің қатты тіндердің құрылымын микроскопиялық деңгейде қалай басқаратынын анықтай алады, сонымен бірге биофизика мен биоинженерияның жаңа салаларын кеңейтеді.
Зерттеу нәтижелері Biophysics Reviews журналында онлайн режимінде қолжетімді.
«Биометалдар: Ежелгі теңіз құрттары жаңа, ерекше материалдар класының құпиясын сақтайды» атты түпнұсқа мақала The Brighter Side of News басылымында жарияланды.
Ұқсас мақалалар
-
Жалпақ құрттар бағаналы жасушалардың заңдарына қарсы шығып, адамның регенерациясының үлгісін ұсынады.
-
Зерттеулер Жердегі алғашқы жануарлар теңіз губкалары болуы мүмкін екенін көрсетті.
-
Ғалымдар 518 миллион жылдық алып жыртқыш құрттарды тапты.
Сізге осындай жағымды әңгімелер ұнай ма? Жазылыңыз Жаңалықтардың жарқын жағы туралы ақпараттық бюллетень .