Морской огурец поможет электродам размякать в мозге

Микроскопический снимок полимера, вдохновлённого морскими огурцами. Нановолокна в нём сделаны из целлюлозы (фото CWRU).

Далеко не всем хотелось бы стать морскими огурцами. Дескать, что это за жизнь? Однако не торопитесь выражать пренебрежение и отвращение к иглокожим беспозвоночным. Эти создания, кажется, неплохо помогли людям. Осталось только правильно воспользоваться их поддержкой — и всем нам скоро просто не хватит слов благодарности в их адрес. Огурчики. Огуречики…

Морские огурцы (они же морские кубышки, они же голотурии) относятся к классу беспозвоночных типа иглокожих. Они чем-то похожи на больших червяков — и по виду, и наощупь. (Вы когда-нибудь щупали червяка? Пощупайте!) В общем, как может показаться, совершенно беспомощные твари.

Если же морской огурец попадает в опасную ситуацию, он быстро обзаводится своеобразной защитой: его поверхность мгновенно затвердевает, становясь как бы бронированной. Как рассказывают биологи, твёрдость шкуры обеспечивают многочисленные коллагеновые волокна, находящиеся внутри неё.

Морской огурец крадётся в зарослях чего-то тоже морского. Жёсткость материала это создание научилось контролировать сотни миллионов лет назад. Человечество же опять маленько задержалось. Ну ничего — лучше поздно, чем никогда (фото F. Carpenter).

В отличие от аналогичных волокон, упрочивающих, например, кожу у современных акул (и укреплявших её у ихтиозавров), волокна у голотурий находятся внутри мягких тканей, поэтому практически не защищают. Но это если ничего не угрожает.

Когда же огурцу по какой-то причине становится страшно, в его организме вырабатывается особое вещество, которое заставляет эти самые мягкие ткани временно затвердевать, и они (будучи к тому же снабжёнными упомянутыми волокнами) становятся очень жёсткими. В итоге получается морской огурец в панцире, а никакой не дряблый червяк.

И вот учёные — медики, химики и биологи — из исследовательского коллектива медицинского центра Кливлендского совета ветеранов Луи Стокса (Louis Stokes Cleveland Department of Veterans Affairs Medical Center — DVA) и университета Кейс Вестерн Резерв (Case Western Reserve University — CWRU) неожиданно поняли: в этой тактике что-то есть. Что же?

Волокна целлюлозы в переключающемся полимере при большем увеличении (фото CWRU).

Они вспомнили, что передовая нейрохирургия постоянно сталкивается с тем, что электроды, внедрённые в мозг, повреждают ткани. Причём разрушение происходит не только в момент введения электрода, но и при его нахождении в мозге.

Поделать с этим ничего нельзя, ведь сейчас электроды металлические, но даже если их изготавливать из более мягких материалов, они всё равно будут травмировать. И даже если это не вредит нервной системе, то мешает работе самого электрода: в месте его внедрения образуется рубцовая ткань, которая ухудшает контакт. Из-за этого спустя какое-то время мозг начинает хуже воспринимать импульсы от внешней аппаратуры (с этой бедой медики столкнулись во время испытаний мозгового сенсора-имплантата, «подслушивающего» человеческие мысли).

Кливлендские спецы поняли, что справиться с проблемой поможет биомиметическая (то есть подражающая живой природе) стратегия. По их мысли, для электродов нужно использовать материал, который будет, как и полагается, «втыкаться» в кору мозга, а потом размягчаться. И этот материал они разработали, опираясь на знания о структуре кожи морского огурца.

1 — схематическое изображение нановолокон в новом полимере, расположенных примерно так же, как и коллагеновые волокна в коже голотурий. 2 — этот фрагмент условно показывает, что в жёстком состоянии материал хотя и гибкий, но его волокна крепко держатся друг за друга. 3 — при попадании воды она действует как смазка, волокна начинают скользить друг относительно друга, и в конечном результате это выражается в том, что материал становится мягче — примерно в тысячу раз (иллюстрация Science).

Как можно узнать из их статьи, вышедшей в журнале Science, полимер, созданный учёными, в обычном состоянии по твёрдости напоминает пластик, из которого делают компакт-диски. В другом состоянии он сравним с мягкой резиной.

Чтобы уменьшить твёрдость материала, нужно всего лишь опустить его в очищенную воду. Ценно то, что «переключение» между этими состояниями происходит достаточно быстро.

Однако, как говорится, лучше один раз увидеть (файл MPG, 5,84 мегабайта). Поясним: в этом ролике некий тёмный кусочек некоего вещества используется как эталон твёрдости (это как бы мозг), а прозрачный — и есть новый полимер. Здесь «переключение» длится порядка 15 минут; температура воды — 37° по Цельсию.

Основная часть исследовательской бригады из кливлендских институтов — DVA и CWRU. Слева направо: Джеффри Кападона (Jeffrey R. Capadona), Стюарт Роуэн (Stuart Rowan), Кристоф Уэдер (Christoph Weder), Дастин Тайлер (Dustin Tyler). Ну что такое — опять мы не смогли как следует зарифмовать их имена, вот досада! (фото с сайта blog.case.edu).

В реальности, скорее всего, ничего в воду окунать не придётся: организм содержит достаточно жидкости, которая прекрасно размягчит электрод на основе полимера. А в случае нейрохирургических операций её роль сможет сыграть спинномозговая жидкость.

В конце прошлого года этими же и некоторыми другими исследователями из Кливленда в журнале Nature Nanotechnology была опубликована статья о другом полимере (его микроскопический снимок как раз и помещён на обложке), идея которого стала базой для концепции нового «голотурного» материала (иллюстрация с сайта nature.com).

Один из авторов разработки, аспирант CWRU Кадхираван Шанмуганатан (Kadhiravan Shanmuganathan), заметил, что вещество практически не разбухает, а значит, не будет доставлять неудобств при использовании.

Увы, создатели нового полимера ничего не рассказали о том, какова электропроводность их материала. Она ведь должна быть высокой, ибо электрод на то и нужен, чтоб проводить ток.

Конечно, можно просто сделать кусочек такого полимера, с вставленными внутрь тонкими металлическими проводками (которые, в принципе, мягкие сами по себе). Можно использовать и бактериальные провода, но это уже совсем фантастика.

Впрочем, это уже вопросы практического применения, до которого пока очень далеко.

Если электроды в конце концов сделать не получится, то будет, конечно, жалко, но не очень. Ведь некоторые виды морских огурцов — трепанги — довольно вкусные. Главное — хорошо приготовить. И чёрт с ней, с биомиметикой, в самом-то деле!..



Загрязнение природы приводит к усложнению птичьих песен

12 марта 2008

Речные раки запоминают сородичей в лицо

12 марта 2008

Акула проглотила прибор для защиты людей от акул

5 марта 2008

Семена сорняков быстро эволюционировали в городских условиях

5 марта 2008

В Британии объявился первый шестиногий осьминог

5 марта 2008