Кератин — прочный структурный белок, который составляет основу волос и ногтей человека, а также шерсти, перьев, рогов и копыт животных. Для индустрии это доступный ресурс: после переработки его превращают в биоматериалы, которые затем используют в производстве косметики, удобрений, медицинских изделий и даже текстиля. Этот ценный материал не вызывает аллергии, со временем разлагается в тканях, способен останавливать кровотечение и даже доставлять антибиотики прямо к очагу воспаления.
Качество и безопасность такой продукции напрямую зависят от чистоты исходного белка, и в массовом производстве обеспечить её непросто: шерсть, перья и прочие волокна, как губка, впитывают из окружающей среды тяжёлые металлы. Например, стронций химически близок к кальцию и потому занимает его место в тканях; свинец, ртуть, кадмий и мышьяк тоже способны задерживаться в структуре белка. Для косметики незначительные микропримеси могут быть допустимы, для медицинского изделия — нет.
Ученые ДВФУ предлагают другой подход — фемтосекундную лазерную искровую спектроскопию. Короткий лазерный импульс длительностью в доли пикосекунды возбуждает на поверхности образца крошечное облако плазмы. Ее свечение регистрируют, а по набору спектральных линий определяют, какие химические элементы присутствуют в материале и в каком количестве.
Проект находится на стыке медицины, оптики, физики и нейросетей: физика описывает поведение плазмы, оптика обеспечивает точную фокусировку и регистрацию спектра, медицина задает требования к чистоте биоматериала, а нейросетевые алгоритмы помогают автоматизировать процесс расшифровки спектров, что особо важно для применения в индустрии.
Сложность в том, что кератин при нагреве лазером светится и создает помехи. К этому добавляются помехи от атмосферных газов вокруг образца. Чтобы их разделить, коллектив подбирает параметры лазерного воздействия: энергию импульса, длительность, геометрию фокусировки и время регистрации сигнала. Отдельное направление — двухимпульсное возбуждение, когда первый луч создает плазму, а второй, приходя с регулируемой задержкой, довозбуждает её. Такой прием позволяет усилить слабые линии тяжелых металлов, не разрушая образец полностью.
«Мы сравниваем, как ведет себя плазма при наносекундных и фемтосекундных импульсах, при разных длинах волн — от инфракрасной до ультрафиолетовой. Задача — найти режим, в котором сигнал примесей будет максимально контрастным. Нам важно, чтобы плазма была достаточно горячей для возбуждения тяжелых металлов, но при этом не разрушала образец полностью. Это тонкая настройка, которая в перспективе позволит проводить анализ прямо на производстве», — добавил Илья Ефимов.
Напомним, проект «Разработка высокочувствительного метода анализа примесей в кератиновом сырье для биомедицинского применения» выиграл грант Российского научного фонда. Сумма финансирования составила 4 миллиона рублей до 2028 года. Теперь в лаборатории аналитической лазерной спектроскопии Института наукоёмких технологий и передовых материалов ДВФУ будет создана экспериментальная установка с двухимпульсным возбуждением, которая сделает анализ еще точнее.
Результатом станет лабораторный прототип системы входного контроля: автоматизированная проверка каждой партии на входе в технологическую цепочку позволит отсеивать несоответствия до того, как материал уйдет в переработку. Для производителей это означает меньше брака и более предсказуемые свойства готовых изделий, для потребителя — уверенность в том, что основы для лекарств, шовные нити, пленки для заживления ран, импланты, шампуни, крема и другие изделия с содержанием кератина будут сделаны из проверенного белка. А заодно — еще один шаг к отечественной технологии, которая не зависит от импортных реагентов и оборудования.
В 2024 году по отдельному поручению Президента России Владимира Путина Дальневосточный федеральный университет вошел в программу строительства кампусов мирового уровня в рамках национального проекта «Молодежь и дети». Вторая очередь кампуса ДВФУ будет включать новые общежития на 4000 человек. К 2030 году в стране появятся 25 новых кампусов университетов. Работу по данному направлению ведут Правительство Российской Федерации и Минобрнауки России.
