Словарь нанотехнологий
Биомиметические наноматериалы

В начало словаря

По первой букве
A-Z А Б В Г Д Ж З И К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ш Э Я

Биомиметические наноматериалы

Статьи

-----------------------------------

Термин

биомиметические наноматериалы

Термин на английском

biomimetic nanomaterials

Синонимы

биомиметики, biomimetics

Связанные термины

белки, биодеградируемые полимеры, биоинженерия, биомиметика, биосовместимость, биосовместимые покрытия, гибридные материалы, ДНК, искусственный фотосинтез, наноматериал, наноструктура, неорганические нанотрубки , тканевая инженерия

Определение

Искусственные наноматериалы, имитирующие свойства биоматериалов или созданные на основе принципов, реализованных в живой природе

Описание

Обращение к биологическим примерам, вдохновляющим инженеров к созданию новых материалов и технологий, базируется на взглядах, что за миллиарды лет эволюции природа создала оптимальные живые конструкции, которые превосходят по эффективности и долговечности конструкции, созданные человеком. Так, изучение «эффекта лотоса», т.е. свойства листьев лотоса не смачиваться дождевой водой и отталкивать грязь за счет своей микро/наноструктурированной поверхности привело к созданию водоотталкивающих красок и тканей. Полимерные нановолокна, имеющие прочность, сравнимую с прочностью стали, были созданы на основе биологического примера - паутины, нити которой выдерживают втрое большее растяжение, чем стальная проволока такого же диаметра. Плоды репейника явились прототипом при создании синтетического адгезивного материала Velcro, применяемого в широко распространенных креплениях-«липучках».

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. Принцип комплементарности, лежащий в основе сборки молекул ДНК, используется в ДНК-конструировании новых наноматериалов.

Знания о структуре и функциях биологических молекул дают возможность синтезировать гибридные молекулы, включающие в себя пептиды, липиды, органические полимеры, и создавать биомиметические нановолокна, бионеорганические композиты и нанопористые покрытия для тканевой реконструктивной инженерии.

В последнее время активно развиваются технологии биомиметического получения наночастиц. Например, белок ферритин, выполняющий функцию переносчика и депо железа в организме, формирует наноклетки с диаметром внутреннего пространства 8 нм. В них удается получать магнитные наночастицы оксида железа 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 добавляются соли металлов, которые восстанавливаются в процессе биокатализа до металлов и формируют наночастицы. Описаны методы получения металлических наночастиц в живых растениях, в воду для которых добавляют соли металлов. Наночастицы образуются в стеблях и других частях растений и могут быть выделены оттуда путем экстракции. Размер формирующихся наночастиц задается белками, участвующими в восстановительных реакциях. В ряде случаев установлены пептидные последовательности, ответственные за катализ, что позволило использовать их в виде кольцевых пептидов для формирования наночастиц in vitro. Наночастицы возможно формировать и с помощью вирусных оболочек - капсидов. Белки вирусного капсида собираются в геометрически правильные пространственные структуры с полостью внутри, куда упаковывается геном вируса. Калиброванные металлические наночастицы и нанокомпозиты высокой степени упорядоченности, можно собирать как внутри капсида, так и на его поверхности. Биомиметический синтез наночастиц имеет ряд преимуществ: он проходит в более мягких условиях, чем получение наночастиц физико-химическими методами. В масштабах промышленного производства наночастиц это позволит снизить негативное воздействие на окружающую среду.

Авторы

Ширинский Владимир Павлович, д.б.н.

Ссылки

Ma P.X. Biomimetic Materials for Tissue Engineering//Adv Drug Deliv Rev.-2008. №60.-p. 184-198.
Nanomaterials for the Life Sciences. Volume 2: Nanostructured Oxides/edited by Kumar Challa S. S. R.-1-st ed.-Weinheim: Wiley-VCH, 2009-507 p.

Иллюстрации

Биомиметический материал, созданный из гидрофильных металлических куполов и гидрофобных полимерных шипов, напоминает по структуре поверхность лепестка розы. Он способен удерживать капли воды, не давая им растекаться. Сканирующая электронная микроскопия.
Источник: Biomimetic surfaces: Like water on a rose petal/AIMResearch, Tohoku University, 2009.- http://research.wpi-aimr.tohoku.ac.jp/eng/research/530 (Дата обращения 22.09.2009)