Липкий паразит: оценка свойств висцина омелы белой

Если вы хоть раз пытались склеить что-то с помощью супер-клея, то наверняка заметили, что эта субстанция обладает удивительным свойством склеивать пальцы, вместо ремонтируемого предмета. Это, конечно комичное преувеличение, однако подобного нельзя сказать о висцине, вырабатываемом в ягодах омелы. Висцин успешно прилипает фактически ко всему, к чему прикасается, что делает его прекрасной основой для клея. Ученые из Макгиллского университета (Монреаль, Канада) решили исследовать это вещество, дабы определить его потенциальную пригодность в медицине. В чем секрет висцина, каковы его физико-химические свойства, и какую пользу он может принести медикам? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

На первый взгляд может показаться, что жизнь человека мало поменялась бы, если бы не было адгезивов. Однако клейкие материалы используются и в быту (скотч), и в строительстве (герметик), и в медицине (хирургический клей). Не даром говорят, что рулоном клейкой ленты можно починить все что угодно.

Тем не менее синтетические адгезивы, сколь велико ни было бы их разнообразие, обладают рядом недостатков (обратимость адгезии, недостаточная адгезия при повышенной влажности и т. д.), а потому многие ученые проводят поиски альтернативных липких веществ. И что может быть лучше в качестве вдохновителя таких поисков, чем природа.

Эволюция и естественный отбор привели к появлению множества универсальных клеев со свойствами, не имеющими себе равных у современных синтетических клеев. Яркими примерами являются влажная адгезия у мидий и бархатных червей, а также обратимая сухая адгезия у гекконов и насекомых. Именно природа изначально и подтолкнула людей к созданию синтетических клейких веществ.

Исследования химических и физических свойств природных адгезивов привело к открытию висцина, выделяемого внутри ягод омелы белой.


Омела европейская (Viscum album L.)

Омела европейская (Viscum album L.) — вид гемипарастических (паразитарных) растений, получающих питание от дерева-носителя. Будучи паразитом, омела прикрепляется к дереву, высасывая из него все необходимые для ее существования питательные вещества. Вы наверняка видели (особенно осенью и зимой), как практически лишенное листьев дерево покрыто зелеными кустарниками омелы.

Опыление омелы происходит с помощью двукрылых насекомых, а распространение семян с помощью птиц, которые поедают белые ягоды (изображение №1). Семена покрыты липкой слизистой тканью (висцином), которая состоит из иерархически организованных микрофибрилл целлюлозы (CMF от cellulose microfibril), встроенных в гигро-чувствительный (реагирующий на влажность) матрикс.

Как правило, ягоды омелы быстро проходят через пищеварительный тракт птиц и выделяются в виде липких висциновых нитей, содержащих несколько семян, которые затем прикрепляются к ветвям деревьев, обеспечивая прорастание и слияние с растением-носителем.

Исследование состава висциновой ткани из V. album показало, что в ней содержится примерно равное количество целлюлозы и различных гемицеллюлоз (обогащенных арабинозой, маннозой и галактозой) с небольшой долей пектинов.

В отличие от большинства других биологических клеев, висцин омелы сочетает в себе сильную адгезию со способностью быстро перерабатываться путем простого механического вытягивания в жесткие, но гибкие волокна длиной до 2 м, которые армированы высоко ориентированными CMF.

Исследование также показало, что жесткость висцинового волокна легко настраивается в зависимости от относительной влажности (ОВ) в локальной среде: при относительной влажности около 0% была измерена жесткость волокна до 20 ГПа, а при относительной влажности близкой к 95% жесткость волокна снижается примерно до 300 МПа. Кроме того, при относительной влажности выше 50 % волокна проявляли способность течь при деформации, тогда как при низкой относительной влажности волокна демонстрировали значения предельной деформации менее 2 %. Это гигрореактивное поведение полностью обратимо. Тем не менее, несмотря на механическую изменчивость, зависящую от влажности, и биологическое происхождение волокон, было показано, что механические свойства при заданной относительной влажности воспроизводимы.

Недавние углубленные структурно-функциональные исследования процесса формирования волокон висцина дают представление о наномасштабном механизме, подчеркивая решающее значение набухающего гигро- и механо-чувствительного матрикса в будущих попытках воссоздания висцина омелы белой. Было показано, что нецеллюлозный матричный материал, окружающий CMF, реагирует на изменения относительной влажности, быстро поглощая водяной пар при ОВ 50%, позволяя CMF скользить относительно друг друга на различных масштабах длины и выравниваться под действием растягивающей нагрузки. После высыхания матрикс действует как прочный цемент, связывающий CMF вместе, что приводит к впечатляющей жесткости на растяжение.

Из вышеописанных свойств висцина следует, что это вещество может стать отличительной многофункциональной модельной системой для создания технических и биомедицинских клеев следующего поколения.

В рассматриваемом нами сегодня труде ученые показали, что висцин может быть переработан в более сложные архитектуры и структуры помимо простых волокон, а также исследовали адгезионные свойства висциновой ткани и ее потенциал в качестве биомедицинского герметика.

Результаты исследования

Изображение №1

Способность висциновых волокон к самоприлипанию имеет отношение к их биологической функции, при которой несколько ягод образуют длинные цепочки семян, которые прилипают к ветвям дерева (1D). Однако это явление не требует прохождения семян через пищеварительную систему птицы. Это можно легко продемонстрировать путем механической изоляции и смешивания свежих семян V. album, что приводит к образованию аналогичной цепочки (1Е). Важно отметить, что самоадгезия происходит только в гидратированном состоянии и не наблюдается между высушенными волокнами при контакте. Любопытным было наблюдение, что два высушенных волокна, удерживаемых вместе между пальцами, сливаются друг с другом, возможно, используя влажность кожи, чтобы инициировать адгезионное взаимодействие.


Изображение №2

Для изучения способности реактивировать самоадгезивные свойства матрикса из высушенного волокна два образца жесткого волокна помещали вплотную друг с другом в условиях повышенной относительной влажности. При относительной влажности выше ~40% гигроскопичные волокна поглощали воду из воздуха, слегка набухая, а при контакте начинают прилипать и деформироваться в области контакта (2С и видео №1).

Видео №1

Дальнейшее повышение влажности за счет воздействия на концы волокон насыщенного водяного пара (∼100% ОВ) приводило к быстрому и интенсивному набуханию волокон с деформацией в области контакта (2D).

Если же ОВ падала ниже 40%, то волокна начинали высыхать, но оставались физически сросшимися друг с другом, демонстрируя потерю четкой границы раздела (2E и 2F), что было видно и на снимках СЭМ (2G и 2H). Из этого наблюдения можно предположить, что набухающий матрикс также способствует самоадгезии.

Далее ученые использовали инициированное влажностью слияние жестких висциновых волокон для создания 2D- и 3D-структур с использованием простого метода гигрочувствительной сварки. Висцина из одной ягоды может быть достаточно для формирования волокна длиной около 2 метров.


Изображение №3

Нарезанные кусочки одиночного волокна омелы располагали в желаемой конфигурации в сухом состоянии (например, в виде многослойной сетки) и подвергали кратковременному воздействию водяного пара, а затем давали высохнуть на воздухе (3A-3C).

Физическая контактная «сварка» волокон была подтверждена с помощью ESEM (СЭМ для окружающей среды) и PLM (микроскопия в поляризованном свете) (3D-3F), показывая уплощение и склеивание в месте соединения двух волокон с потерей интерфейса и локальным искажением ориентации целлюлозы (3G).

Этот процесс показал, что гигроскопичные висциновые волокна можно контактно склеить, используя для соединения образцов только повышенную влажность при комнатной температуре. Ученые отмечают, что это является отличным свойством для биополимерных волокон с жесткостью в сухом состоянии более 14 ГПа (т.е. превышающей жесткость нейлона более чем в 3 раза).

2D-структуры могут быть расширены до многослойных архитектур, подобных аддитивному производству 3D-объектов, путем простого наложения нескольких волокон друг на друга, создавая более сложные и, предположительно, более стабильные точки соединения. Кроме того, высушенные висциновые волокна могут быть использованы для построения 3D-объектов путем поэтапного предварительного изготовления нескольких 2D-сетчатых структур, которые впоследствии могут быть собраны в желаемую 3D-форму и соединены путем локальной регидратации вдоль зон соединения (3K).


Изображение №4

В ходе исследования было замечено, что висцин образует не только волокна, но и пленки при соответствующих условиях обработки. На 4А показано, как висциновая ткань легко растягивается пальцами, образуя тонкую полупрозрачную пленку.

Для последующих тестов висциновая ткань была растянута над чашкой Петри и закреплена в трех местах (4B). Полученные прозрачные пленки, как и волокна, являются гигро- и механочувствительными, текучими под приложенной нагрузкой во влажном состоянии, затвердевают при высыхании, но в значительной степени сохраняют свою целостность и форму (4С). Микроскопия в поляризованном свете (PLM от polarized light microscopy) показала ориентацию CMF вдоль локальных контуров точек крепления (4D). WAXS (широкоугольное рассеяние рентгеновских лучей) также показало, что целлюлоза выровнена вдоль полей кажущегося напряжения.

В середине пленок, напротив, наблюдались многочисленные беспорядочно ориентированные нерастянутые клетки висцина (4Е), которые теоретически могут обеспечивать дополнительную растяжимость пленки во влажном состоянии, а также препятствовать разрушению при нагрузках во время высыхании.

Пленка висцина, которая чрезмерно растянута, в конце концов разрушается. Однако это не характеризуется разрывом пленки, а скорее инициируется локализованным разрушением пленки в пористую архитектуру (4F). При этом поры соединены тонкими сегментами волокон с высокоориентированными микрофиламентами целлюлозы по контурам пор, как показано на PLM, обеспечивая механическую целостность оставшейся пленки (4G и 4H).

На следующем этапе исследования ученые приступили к оценке адгезионных свойств висциновых волокон и пленок. В ходе вышеописанных наблюдений было установлено, что волокна висцина отлично прилипают друг к другу, к пальцам, к предметному стеклу и пинцету. Но это косвенные наблюдения. Для более детального и прямого исследования были использованы разнообразные материалы: металлы (латунь, алюминий и нержавеющая сталь), стекло, слюда, термопласты (политетрафторэтилен (PTFE), полиэтилен высокой плотности (HDPE), поликарбонат (PC), полиамид (PA), полипропилен (PP)), и дерево.


Изображение №5

Для всех вышеперечисленных материалов висцин из одной ягоды продемонстрировал прилипание и смог выдержать массу в 10 грамм (5A). Учитывая, что средняя масса гидратированного семени составляет порядка 0.2 грамма, высушенный висцин может выдерживать нагрузки, по крайней мере, в 50 раз превышающие требуемые.

Адгезионную прочность висцина измеряли между двумя деревянными поверхностями с использованием стандартного теста на сдвиг. При относительной влажности 30% было зафиксировано значение в 2 МПа для свежих и для недельных клеев. При повышении влажности до 60% показатель падал до 1 МПа. Наблюдаемая механика, зависящая от влажности, полностью согласуется с предыдущими измерениями механики висциновых волокон, которые показали значительное снижение жесткости образца при относительной влажности выше 45%.

В дополнение к материалам, испытанным выше, было продемонстрировано, что свежий висцин может прочно прилипать к коже человека и хрящевым тканям свиньи. Ученые отмечают, что способность висцина омелы белой прилипать к биологическим тканям в сочетании с его биомолекулярным составом делает его привлекательным кандидатом в качестве герметика для ран или биомедицинского клея.


Изображение №6

Чтобы исследовать потенциал этого армированного натуральным волокном клея в качестве герметика ран, на свиной коже были сделаны надрезы с использованием лезвия бритвы (6А). Разрезы запечатывали, распределяя изолированную висциновую ткань поверх разреза (6В) и позволяя ей высохнуть (6С). Шелковистый, глянцевый висциновый герметик оставался прикрепленным после высыхания, и даже когда к коже прикладывалась нагрузка, разрез оставался закрытым, в то время как близлежащие незакрытые разрезы легко открывались (6D и 6E).

Протестированный на живой коже человека (без надрезов), такой висциновый герметик оставался прочно закрепленным в течение как минимум 3 дней. Герметик всегда сохранял незначительную липкость на своей поверхности, но оставался гибким, позволял свободно двигаться при выполнении повседневных задач и был устойчив даже к кратковременному смыванию водой. Для удаления висцинового «пластыря» достаточно было обычного трения.

Природный висцин также отлично справлялся с ролью тканевого герметика. Однако присущее висцину свойство прилипать к различным поверхностям и способность мгновенно образовывать волокна делали его деликатным в обращении и усложняли точное нанесение на обозначенную область. Поэтому ученые решили рассмотреть древние рецепты изготовления висцинового птичьего клея (для ловли живых птиц) и покрытий, датируемых несколькими сотнями лет до нашей эры, в которых упоминается использование натуральных масел в качестве добавки.


Изображение №7

В очень упрощенном подходе механически выделенный висцин из нескольких ягод погружали в масло грецкого ореха или оливковое масло на несколько минут (7А и 7В). Обработанный маслом висцин проявлял меньшую липкость по сравнению с природным висцином и меньшую склонность к образованию волокон, что упрощало обработку. Тем не менее он по-прежнему демонстрировал заметную адгезию к коже человека и улучшенную механическую когерентность. Обработанный маслом висцин кажется гладким и шелковистым, его можно замешивать, как тесто, легко растягивать в устойчивые пленки и наносить на кожу, где его можно дополнительно перераспределить по обозначенной области (7C и 7D). Всего за несколько минут даже нанесенный толстым слоем висцин высыхает, образуя гладкое прозрачное покрытие (7Е). Поскольку висцин, обработанный маслом, обладает пониженной клейкостью, человек может касаться предметов не прилипая к ним. Кроме того, покрытие обладает высокой гибкостью (возможно, из-за влажности кожи) и не стесняет движений (7F).

Как и в случае с необработанным висцином, дефекты могут быть устранены путем добавления дополнительного материала или локальной регидратации покрытия, что позволяет проводить дальнейшие манипуляции в соответствии со способностью материала проявлять контактную склейку в условиях окружающей среды.

Чтобы обернуть весь палец висциновым покрытием, как показано 7C и 7D, требуется висцина из всего лишь 10–15 ягод (к слову, одно взрослое растение обычно дает тысячи ягод за сезон).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

В рассмотренном нами сегодня труде ученые уделили внимание крайне любопытной субстанции, выделяемой ягодами омелы белой. Для деревьев, на которых омела паразитирует, это вещество, называемое висцином, настоящий враг, так как позволяет семенам омелы прилипать к веткам, что приводит к неминуемому прорастанию новой омелы.

Висцин, будучи природным клеем, основная цель которого заключается в прилипании к биологическим материалам, оказался достаточно липким и по отношению к синтетическим материалам. Во время опытов также было установлено, что висциновая ткань способна образовывать не только волокна, но и тонкие липкие пленки или даже трехмерные структуры, если применить к висцину небольшую физическую обработку. Еще одним потенциально полезным свойством висцина является обратимость его липкости обусловленная реакцией на изменение влажности.

В будущем ученые намерены более детально изучить химические свойства висцина, а также понять, какие именно химические процессы протекают в этом веществе при различных условиях. Но уже сейчас они говорят, что такого рода адгезив может стать отличным инструментом в медицине, ввиду его биосовместимости, биоразлагаемости, дешевой стоимости производства и возобновляемости.

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?