Znajdź zawartość

Szkliwo z zębów ryb dwudysznych i belony pospolitej (Belone belone) może ułatwić wyprodukowanie lżejszych i bardziej wydajnych paliwowo samochodów czy samolotów – twierdzi prof. John Barry, fizyk z Queensland University of Technology. Napędem dla mojej pracy jest potrzeba znalezienia nowych lepszych materiałów, ponieważ większości udoskonaleń z dziedziny materiałoznawstwa z ostatnich 60 lat nie uda się kontynuować bez wprowadzania ciągłych innowacji. Ograniczeniem są właściwości wykorzystywanych obecnie materiałów. Z powodu ciągłej potrzeby zwiększania osiągów docieramy do granic możliwości materiałów, a skutki tego zjawiska bywają katastrofalne – w tym miejscu warto przypomnieć choćby ostatnie awarie silników Airbusów 380. Barry ma na to radę – badanie przyrody i wykorzystywanie naturalnych rozwiązań. Zęby różnych zwierząt były przystosowywane lub konstruowane do różnych celów. Jak materiały inżynieryjne są tworami kompozytowymi o właściwościach o wiele lepszych od wielu istniejących syntetyków. Zaczęliśmy od dwudysznych, ponieważ są zwierzętami prehistorycznymi [wyewoluowały we wczesnym dewonie]. Z tego powodu sądziliśmy, że budowa ich zębów będzie sporo prostsza niż u współczesnych zwierząt, które podlegały wielu ewolucyjnym zmianom. Byliśmy zaskoczeni, gdy natrafiliśmy na skomplikowaną mikrostrukturę zęba. Badaliśmy także belony, które mają wyjątkowe odporne na zniszczenia zęby. Australijczycy tłumaczą, że w 95% ząb składa się z hydroksyapatytu, minerału zbudowanego z hydroksyfosforanu wapnia, który sam w sobie jest bardzo słaby, ale w organizmie żywym staje się twardy i wytrzymały. Zespół z QUT bada strukturę zęba na 3 poziomach. Najpierw akademicy przyglądają się kryształom zębiny (dentyny), które mogą mieć różne kształty, sposobom ich ułożenia w poszczególnych pęczkach pryzmatycznych szkliwa oraz temu, jak zorganizowana jest powierzchnia zęba, by ciąć, miażdżyć lub rozcierać pokarm. Badacz z antypodów podkreśla, że w przeszłości naukowcy próbowali już wykorzystywać materiały naśladujące przyrodę. W czasie II wojny światowej inżynierowie pracujący nad imitowaniem właściwości drewna stworzyli włókno szklane, zaś zamek błyskawiczny to technologiczna kopia przywierających do ubrania rzepów. Barry opowiada, że skopiowanie niektórych struktur zęba pozwoli na wyeliminowanie kompozytów włókien węglowych. Obecnie są one najlepszym z dostępnych rozwiązań, ale, niestety, pozostają bardzo mocne wzdłuż warstwy nanoszenia ziaren, a w poprzek są bardzo słabe, co ogranicza ich zastosowanie.

Bakterie wytwarzające hydroksyapatyt (HA) można wykorzystać do uzyskania bardziej wytrzymałych implantów kości. Nową metodę opracowała profesor Lynne Macaskie z University of Birmingham. Podczas badań okazało się, że bakterie z rodzaju Serratia ściśle przylegają do różnych powierzchni, m.in. stopów tytanu, polipropylenu, porowatego szkła i pianki poliuretanowej, ponieważ tworzą biofilm zawierający biopolimery działające jak klej. Na tej warstwie tworzy się następnie powłoka z hydroksyapatytu. Aby dało się to wykorzystać w praktyce, warstwa HA musi ściśle przylegać. Materiał jest zatem suszony i podgrzewany (ma to zabić niepotrzebne już bakterie). Mikromanipulacyjna technika, którą wykorzystano do zmierzenia sił potrzebnych do rozerwania biokleju, wykazała, że by zniszczyć wysuszoną jego wersję, trzeba ciągnąć 20-krotnie mocniej niż w przypadku wersji świeżej. Po pokryciu hydroksyapatytem przyleganie stało się jeszcze kilkukrotnie silniejsze. Efektywność kleju zwiększała się, gdy powierzchnia nie była gładka, lecz lekko szorstka. Obecnie implanty kości uzyskuje się przez "nasprejowanie" hydroksyapatytu. Nie mogą się one jednak pochwalić dobrą wytrzymałością mechaniczną, poza tym sprej sięga tylko do widocznych obszarów. Z bakteriami nie ma tego problemu, bo dotrą wszędzie. Co więcej, bakteryjny HA ma lepsze właściwości niż minerał uzyskany chemicznie. Dzieje się tak, gdyż nanokryształy tego pierwszego są o wiele mniejsze i to właśnie to zapewnia im większą wytrzymałość. Bakterie są niszczone przez podgrzewanie, pozostawiając HA przylegający do danej powierzchni dzięki ich własnemu klejowi – przypomina to sos, który przywarł do patelni – podsumowuje prof. Macaskie.

Hydroksyapatyt jest minerałem stanowiącym rusztowanie dla tkanki łącznej kości. Materiał można pozyskiwać z innych źródeł i wykorzystywać jako podporę przy odtwarzaniu amputowanych czy uszkodzonych tkanek. Ostatnio naukowców z Włoch zainspirowała hierarchiczna struktura wzrostu drzewa, która przypomina budowę samej kości. Postanowili je więc wykorzystać do uzyskania protezy. Anna Tampieri i zespół z Institute of Science and Technology for Ceramics w Faenzie stwierdzili, że tego typu architektura nie występowała w materiałach używanych dotąd do uzyskania hydroksyapatytu. Przez to nie udawało się otrzymać protez, które wytrzymywałyby ciężar ciała i naprężenia. Chemicy podgrzali drzewo, by doprowadzić do rozkładu części organicznych. W ten sposób stworzyli formę dla protezy. Następnie posłużyli się wapniem, tlenem i dwutlenkiem węgla i uzyskali węglan wapnia. Dzięki donorowi grupy fosforanowej przekształcili go potem w hydroksyapatyt. Wewnętrzna struktura drewnianej protezy nie jest identyczna z kością, ale okazała się na tyle podobna, że komórki i naczynia krwionośne ją przenikają. Gwarantuje to lepszą asymilację i sprawia, że cała konstrukcja staje się mocniejsza. Tampieri podkreśla, że drzewny hydroksyapatyt można stosować nie tylko w protezach kości. Wg niej, jako materiał doskonale znoszący wysokie temperatury i napięcia mechaniczne nadaje się np. na powłoki statków kosmicznych.