Гель стал твердым как сталь и мягким, как желе: новый прорыв химиков

Ученые из МФТИ с коллегами из университетов Канады собрали композитный гидрогель из стержнеобразных наночастиц целлюлозы и синтетического сополимера. Меняя всего один параметр — долю сшивающих групп в полимере, они управляли жесткостью и нелинейным механическим откликом геля в широких пределах, тогда как строение сетки гидрогеля оставалось прежним. Работа опубликована в журнале Materials Horizons.

Наши ткани мышцы, кожа, связки держатся на природном «скелете» из белковых нитей (коллагена, эластина). Этот каркас, представляющий собой полимерную сетку, не просто поддерживает клетки, но и служит для них источником сигналов: в зависимости от того, насколько он упругий и как деформируется, клетка решает: ползти ей дальше, делиться или превращаться в другой тип.

У биологических каркасов есть два удивительных свойства: чем сильнее их тянешь или сдвигаешь, тем они становятся жестче (это называют деформационным упрочнением с нелинейным откликом). А если слегка сжать, наоборот, размягчаются. Искусственные гели обычно так не умеют: недостаточно сопротивляются сдвигу и упрочняются при сжатии. Такое поведение связывают с фибриллярной (волокнистой) структурой геля, где строительным элементом является фибрилла.

Когда механика нарушается (при травмах, фиброзе, раке или старении), это отражается на поведении клетки. Чтобы понять, как именно они реагируют на изменения нелинейной механики, ученым нужна искусственная модель с точно такими же свойствами. Но раньше была проблема: как ни настраивай синтетический гель меняй температуру, концентрацию соли или длину молекул, вместе с жесткостью всегда менялась и сама сетка, а именно: размер пор. И нельзя было понять, на что реагирует клетка: на жесткость фибрилл или на новое строение сетки геля.