Самоорганизующиеся, биосовместимые молекулярные ленты могут хранить энергию и информацию. Представьте себе тонкий браслет, который отслеживает ваши шаги и сердцебиение. Или одежду, которая сохраняет прохладу со встроенным кондиционером. Или даже гибкий имплант, который может помочь вашему сердцу лучше, чем громоздкий кардиостимулятор. Это обещание нового электрически активного материала, который исследователи создали, объединив короткие цепочки аминокислот, называемых пептидами, с фрагментами полимерного пластика.
Этот «электрический пластик», о котором сообщается в Nature, может хранить энергию или записывать информацию, открывая дверь для самозаряжающихся носимых устройств, нейронных интерфейсов в реальном времени и медицинских имплантатов, которые сливаются с телом лучше, чем современные технологии.
Большинство электронных материалов жесткие или содержат токсичные металлы, что затрудняет проектирование устройств, которые соответствуют телу или которые можно встроить в ткани. Одним из немногих мягких пластиков, которые можно использовать в электронных устройствах, является полимер под названием поливинилиденфторид (ПВДФ), открытый в 1940-х годах. Он имеет полярную структуру, которая меняет свою ориентацию при стимуляции внешним напряжением — химический эквивалент переворачивания электронного бита. Однако эти «сегнетоэлектрические» свойства нестабильны и исчезают при более высоких температурах. Пластик также требует высокого напряжения для переключения полярности, что делает его работу более энергоемкой.
Сэмюэл Стапп, ученый-материаловед из Северо-Западного университета, и его коллеги подумали, что они могут улучшить свойства PVDF. Команда соединила пептиды с небольшими сегментами PVDF, которые естественным образом собрались в длинные гибкие ленты. Затем молекулы объединились в пучки и выстроились в линию, образовав электроактивный материал. «Примечательно, — говорит Стапп, — что процесс самосборки запускается при добавлении воды».
Новый материал преодолевает ограничения PVDF. Он требует в 100 раз меньше напряжения для переключения поляризации по сравнению с другими сегнетоэлектрическими материалами, что делает его идеальным для маломощных приложений. И он сохраняет свои сегнетоэлектрические свойства при температуре 110°C — примерно на 40°C выше, чем другие материалы PVDF.
Новый материал Стаппа может хранить энергию или информацию, электрически переключая полярность каждой ленты. И поскольку пептид на конце каждой ленты может быть связан с белками на нейронах или других клетках, молекулы могут регистрировать сигналы от мозга, сердца или других органов — или электрически стимулировать их. Используя маломощные методы, такие как ультразвук, чтобы «зарядить» молекулы, материал может быть использован для стимуляции нейронов в качестве лечения хронического паралича, говорит Стапп.
Соавтор исследования Ян Ян, инженер-электрик из Северо-Западного университета, отмечает, что ПВДФ является биосовместимым, что делает этот материал перспективным кандидатом для мягких имплантатов, которыми можно было бы управлять по беспроводной сети извне.
Хотя PVDF нетоксичен, некоторые исследователи опасаются его долгосрочного воздействия на окружающую среду. Фторированные соединения могут сохраняться в окружающей среде в течение столетий — одна из причин, по которой Европа предложила запретить PVDF. Уильям Арнольд, инженер-эколог из Университета Миннесоты в городах-побратимах, который не принимал участия в исследовании, также говорит, что микробы потенциально могут расщеплять фрагменты PVDF на трифторуксусную кислоту — загрязняющее вещество, вызывающее все большую озабоченность. Более того, добавляет он, для подготовки молекулярных лент команда Стаппа использовала молекулу пер- и полифторалкильного вещества — еще одно долгоживущее фторированное соединение, которое связывают с проблемами окружающей среды и здоровья человека.
До сих пор команда Стаппса провела только мелкомасштабные оценки молекул. Масштабирование потребует нанесения структур, взвешенных в воде, на устройства без их изменения, говорит Фрэнк Лейбфарт, химик из Университета Северной Каролины в Чапел-Хилл, который не принимал участия в исследовании. Тем не менее, он говорит: «Это достижение позволило получить ряд привлекательных свойств по сравнению с другими органическими полимерами».
Несмотря на трудности, Стапп уверен, что сочетание пептидов и ПВДФ — рецепт успеха. «Эта статья имеет гораздо более широкую концепцию, чем просто винилиденфторид», — говорит он. «Вероятно, есть и другие возможности… в которых нет фтора». Он надеется, что этот материал представляет собой начало будущего, в котором технология не просто воздействует на нас, но и сливается с нами.
