Модифицированный паучий шелк поможет в создании мягких роботов

Ученые из ИТМО, Тель-Авивского университета и Университета Авейру разработали новый метод, который позволяет улучшить механические свойства обычной паутины. Для этого они ввели раствор с магнитными наночастицами в шелковые железы пауков. Модифицированную паутину потенциально можно использовать для создания гибких и магнитоуправляемых элементов в мягких роботах или износостойких подложек для микросхем в гибкой электронике.

Паутина ― природный материал, у которого есть сразу несколько удивительных свойств. Она в крепче кевлара, из которого делают бронежилеты, устойчива как к низким, так и высоким температурам, эластична и растяжима ― может растягиваться на 30–40% без разрыва, при этом материал легкий, тонкий и биосовместимый. Всё это делает ее идеальным кандидатом для решения задач в совершенно разных сферах ― от медицины и экологии до робототехники. Например, на основе паутины перспективно создавать для таргетной доставки лекарств и регенерации тканей или гибкие и легкие для роботов.

Чтобы масштабировать производство, ученые изучают, как формируется паучий шелк, пытаются воссоздать его искусственно в лаборатории и улучшить функциональные свойства волокна ― например, сделать природный материал более прочным. Для этого паука обычно опрыскивают раствором с магнитными наночастицами или добавляют их в диету животного для увеличения прочности паутины. Но методы не очень эффективны, поскольку большая часть наночастиц выводится в процессе метаболизма и лишь их небольшая часть достигает шелковых желез.

Ученые ИТМО вместе с коллегами из Тель-Авивского университета и Университета Авейру разработали новый метод, который позволяет увеличить на 82% модуль Юнга, отвечающий за сопротивление растяжению или сжатию паутины. Исследователи предложили делать инъекции магнитными наночастицами Fe3O4 напрямую в область шелковой железы пауков-птицеедов Holothele incei. Процедуры под наркозом паукам проводили каждые три дня, и через две недели впервые обнаружили магнитные наночастицы в паутине с помощью энергодисперсионного рентгеновского спектроскопа.

После инъекции наночастицы проникли в шелковую железу и повлияли на пространственную организацию белка спидроина, из которого формируется паутина. Такое взаимодействие увеличило долю β-листов — вторичной структуры паутины, которая влияет на ее прочностные свойства. Показатель β-листов вырос примерно с 48% до 71%. Это повлияло на модуль Юнга — он повысился на 82%, то есть паутина стала более прочной и жесткой. 

«Рост модуля Юнга делает паутину по жесткости  с биологическими тканями, например хрящом. Мы предположили, что дело в зарядах наночастиц и белкового бульона для паутины: наночастицы, как мостики, притягивают к себе некоторые аминокислоты спидроина из паутины, в итоге структура шелка получается более упорядоченной. Кроме того, наночастицы придали паутине магнитные свойства, которые позволят управлять волокном. В нашем исследовании магнетит использовался в качестве модельного объекта. В перспективе можно улучшить технологию и состав наноматериалов, чтобы создавать модифицированный шелк паука для управляемых мягких роботов. При этом наш метод позволяет сохранить первичную структуру шелка — паутина не потеряла своих первичных характеристик гибкости и легкости», — объяснила первый автор исследования, заведующая лабораторией на факультете биотехнологий ИТМО Анастасия Крючкова.

Модифицированное волокно перспективно использовать в производстве миниатюрных объектов, например, мягких роботов. В их основе — не жесткие каркасы, а эластичные материалы, придающие устройствам гибкость и мобильность. Паутину можно применить при создании «связок» робота, чтобы обеспечить конечностям дополнительные степени свободы и возможность передвижения. 

Магнитные наночастицы в составе паутины будут откликаться на изменение внешнего магнитного поля, и таким образом можно управлять роботом. Также ученые предполагают, что модифицированный шелк может подойти как подложка для микросхемы в гибкой электронике. Благодаря гибкости паутины можно повысить износостойкость материала. 

Исследование поддержано программой «Приоритет 2030». Результаты работы опубликованы в журнале ACS Applied Bio Materials.