CC BY
57
УДК 601.2:616-7
БИОМИМЕТИКА - ДВЕРЬ В БУДУЩЕЕ
Суханова В.Д., студент, направление подготовки 12.03.04 Биотехнические системы и технологии, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: suhanovaviktoria20@gmail.com
Сапиева З.К., студент, направление подготовки 12.03.04 Биотехнические системы и технологии, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: sapiyevaz@gmail.com
Кандаурова Н.В., студент, направление подготовки 12.03.04 Биотехнические системы и технологии, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: kandaurova2000@bk.ru
Крячко О.А., студент, направление подготовки 12.03.04 Биотехнические системы и технологии, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: Kryachko_olesya@mail.ru
Яхина Д.Н., студент, направление подготовки 12.03.04 Биотехнические системы и технологии, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: dianka2000ya@gmail.com
Научный руководитель: Каныгина О.Н., доктор физико-математических наук, профессор, профессор кафедры химии, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: onkan@mail.ru
Аннотация. С незапамятных времен пытливая мысль человека искала ответ на вопрос: может ли человек достичь того же, чего достигла живая природа? Сначала человек мог только мечтать об этом -научиться делать то, что сделала уже природа. Каждое живое существо это совершенная система, которая является результатом эволюции многих миллионов лет. Идея применения знаний о живой природе для решения инженерных задач принадлежит Леонардо да Винчи, который пытался построить летательный аппарат орнитоптер, взяв за прототип крылья птиц. В соответствии с этим человек стремился к созданию механических моделей, которые могли бы имитировать интересовавшие его предметы и явления природы. Когда прогресс науки привел к открытию фундаментальных законов, оказалось следующее: опираясь на эти законы, кладя их в основу соответствующих технических устройств, можно начать осуществлять одну за другой давние мечты человека. Так, 13 сентября 1960 года на популярном американском симпозиуме на тему «Живые прототипы искусственных систем» мир услышал о науке биомиметика, или, термин, адаптированный под русскоязычные государства, бионика. Ключевые слова: биомиметика, метод, медицина, структура, биологический процесс, наука и техника.
BIOMIMETICS - THE DOOR TO THE FUTURE
Sukhanov V.D., student, training direction 12.03.04 Biotechnical systems and technologies, Orenburg state
University, Orenburg
e-mail: suhanovaviktoria20@gmail.com
Sapiyev Z.K., student, training direction 12.03.04 Biotechnical systems and technologies, Orenburg state University, Orenburg e-mail: sapiyevaz@gmail.com
Kandaurova N.V., student, training direction 12.03.04 Biotechnical systems and technologies, Orenburg state
University, Orenburg
e-mail: kandaurova2000@bk.ru
Kryachko O.A., student, training direction 12.03.04 Biotechnical systems and technologies, Orenburg state
University, Orenburg
e-mail: Kryachko_olesya@mail.ru
Yakhina D.N., student, training direction 12.03.04 Biotechnical systems and technologies, Orenburg state
University, Orenburg
e-mail: dianka2000ya@gmail.com
Scientific adviser: Kanigina O.N., Doctor of physics and mathematics, Professor, Professor at the Department of chemistry, Orenburg state University, Orenburg e-mail: onkan@mail.ru
Abstract. Since ancient times the inquiring thought of a man looking for an answer to the question: can a person to achieve the same what you have accomplished wildlife? At first, man could only dream about it - to learn to do what nature has already done. Every living being is a perfect system, which is the result of the evolution of many millions of years. The idea of using knowledge about wildlife to solve engineering problems belongs to Leonardo da Vinci, who tried to build an aircraft ornithopter, taking the prototype bird wings. In accordance with this, man sought to create mechanical models that could mimic the objects and phenomena of nature that interested him. When the progress of science has led to the discovery of fundamental laws was the following: based on these laws, putting them in the basis of appropriate technical devices, you can start to implement one after another long-standing dreams of man. So September 13, 1960 at the popular American Symposium on "Living prototypes of artificial systems" the world heard about the science of biomimetics, or the term adapted to the Russian-speaking States, bionics.
Keywords: biomimetics, method, medicine, structure, biological process, science and technology.
Биомиметика, иначе бионика (англ. «Biomimetics»; лат. «bios» - жизнь и «mimesis» - подражание) - это наука, занимающаяся использованием биологических процессов и методов для решения инженерных задач. Она получила широкое распространение в различных областях науки и техники: кибернетике, радиотехнике, аэронавтике, биологии, медицине, химии, материаловедении, строительстве и дизайне.
На данных момент, к примеру, в легкой промышленности наибольшее распространение получили аналоги: «эффект лотоса», «эффект репейника» (липучка), «акулья кожа», «хамелеон».
«Эффект лотоса» - классический пример использования биомиметики. Цветок всегда сохраняет первозданную чистоту. Капля воды, попадая на бугристую поверхность, имеет малую площадь соприкосновения и, скатываясь, забирает с собой любые виды загрязнений. Была разработана технология производства супергидрофобного материала [5].
«Акулья кожа» - недавнее изобретение, распространено в водном спорте. В 2000 году японская фирма «Speedo International» разработала ткань, материал которой сделан из специального полиамидного и лайкрового волокна, покрытого тефлоном для предотвращения проникновения воды. В «акулью кожу» также встроены специальные швы, снижающие сопротивление воды и эффект турбулентности вокруг тела. За счет компрессионности костюмов снижается вибрация мышц [5].
Исследование структуры природных объектов подсказало создание оболочек, ком-позиционных материалов с зональным распределе-нием свойств. Выделяют 3 вида оболочек: паутина, листья растений, крылья насекомых. Паутина - это
сетчатая оболочка, состоящая из белковых нитей. Интересна плоская колесовидная паутина. Она покрывает наибольшую площадь при минимальных затратах материала, совмещает в себе прочные нити каркаса и тонкие спиральные нити, предназначенные для поглощения энергии от столкновения с оболочкой. Паучья сеть интересна химическим соединением с глицином, аланином, серином. Для создания материала близкого по составу, генетики имплантировали нигерийским козам ген, отвечающий за выработку паутины. Из молока коз выработано вещество, позволяющее создавать нити для высокопрочного шелка.
Команда ученых из Массачусетса представили изобретение, основанное на природном прототипе, их вдохновил геккон. Лапки геккона - маленькой ящерицы, способной перемещаться практически по любой поверхности, имеют крошечные керати-новые волоски. Были созданы Гекко-клей, подставка под компьютерную мышь. Команда предложила композиционный материал, в котором сочетаются мягкая подкладка и твердый материал [3].
Изучение процессов разложения на нижнем этаже лесов и на берегах рек вдохновило австралийскую компанию Вю1уйх на создание системы водоочистки, базирующейся на живых организмах, таких, как черви и жуки. Такая система, использующая живой «гумус», не требует применения химикатов и работает гораздо лучше.
Рассмотрим применение методов и решений бионики в медицине. Ещё древние мудрецы предложили использовать знания о природе во благо человечества. Так, например, проводя глазные хирургические операции, арабские врачи много сотен лет назад получили представление о преломлении световых лучей. Изучение хрусталика глаза натолк-
нуло врачей древности на мысль об использовании линз, изготовленных из хрусталя или стекла, для увеличения изображения, а затем и для коррекции зрения. При «заготовлении» дорожными осами корма для будущих личинок они применяют методы проводниковой анестезии - укус с впрыскиванием нервнопаралитического вещества в область крупных нервных стволов.
Многие медицинские инструменты имеют прообраз среди представителей живого мира. Игла-скарификатор, служащая для забора периферической крови, сконструирована по принципу, полностью повторяющему строение зуба-резца летучей мыши, укус которой, отличается безболезненностью, но всегда сопровождается достаточно сильным кровотечением [4].
Привычный всем поршневой шприц во многом имитирует кровососущий аппарат насекомых - комара и блохи. Применяемая во время хирургической операции игла, используемая для наложения швов на внутренние органы и ткани человека, имеет форму реберных костей крупных рыб, а скальпель до сих пор повторяет форму тростникового листа с его природной режущей кромкой.
Бионика в медицине ставит перед учёными важные задачи по изучению нервной системы человека и животных, а также моделирования нервных клеток и нейронных сетей для создания более совершенных вычислительных систем. Также бионика в медицине занимается изучением органов чувств и многих систем восприятия окружающего мира живыми организмами, изучением принципов ориентации, навигации и локации у различных видов животных. И последнее исследование бионики в медицине - это тщательное изучение физиологических, биохимических, а также морфологических особенностей организмов [2].
Создаются биомиметические материалы. Это макро-, микро- и наноразмерные синтетические структуры, которые представляют собой аналоги фрагментов тканей, органов или биологически активных продуктов метаболизма. В медицине биомиметические материалы можно использовать для создания имплантов, искусственных сосудов, клапанов сердца, хрусталиков, синтетических почек, элементов эндопротезов суставов, искусственных сухожилий, мышечных связок, а также новых лекарственных средств [1].
С давних времен предметом черной зависти человека является способность некоторых земноводных отращивать утраченные конечности. Протезы для человека, потерявшего руку или ногу, когда-то были всего лишь немного лучше, чем ничего. Сейчас - это высокотехнологичные устройства, дающие обладателю способности, превосходящие возможности обычного человека. После травмы или в ходе болезни конечность ампутируют. Остав-
шаяся культя состоит из множества тканей: кожи, мышц, костей, сосудов и нервов. Хирург во время операции выводит сохранившийся двигательный нерв на остающуюся крупную мышцу. После заживления операционной раны нерв может передавать двигательный сигнал. Этот сигнал воспринимает датчик, установленный на протезе. В процессе восприятия нервного импульса участвует сложная компьютерная программа. Поэтому бионический протез может выполнять только те действия, которые в этой программе прописаны. По сравнению с отсутствием конечности возможность даже ограниченного числа движения - огромный прогресс.
Одними из наиболее актуальных направлений применения биомиметических материалов является обновление поврежденных костных тканей. Содержащие наночастицы материалы и их композиты используют при разработке имплантов костной ткани, которые должны быть высокобиосовместимыми, эластичными, прочными, малотоксичными, а также содержать остеоиндуктивные факторы роста. Биомиметические материалы на основе полимерных композитов можно использовать в регенеративной медицине для замещения поврежденных тканей большинства органов.
Уже получены позитивные результаты по созданию синтетических тканей глаза и фрагментов сосудов. Разработаны кибернетические ткани на основе гибкой полимерной сетки с прикрепленными наноэлектродами или транзисторами. Благодаря большому количеству пор сетка имитирует естественные поддерживающие структуры ткани и не отторгается организмом. Сердечный «пластырь» из живых клеток сердца с внедренной наноэлек-троникой передает информацию об окружающей среде и частоте сердечных сокращений в режиме реального времени. При необходимости лечащий врач с помощью пластыря может стимулировать работу сердца или запускать выброс необходимых активных молекул. Композиты на основе полико-гликолевой кислоты с поликапролактоном обеспечивают термостабильность, поэтому их применяют для регенерации органов пищеварительного тракта, печени, почек, а также с целью визуализации при диагностике заболеваний в гастроэнтерологии, ге-патологии и нефрологии.
При изучении устройства клеточных жгутиков и других систем микроскопического транспорта возникает аналогия со схемой устройства двигателей. Самый маленький в мире двигатель работает на реактивной тяге, создаваемой за счет реакции между ферментом уреазой и мочевиной. Кроме того, биомиметические материалы очень перспективны при создании синтетических структур, которые имитируют процессы самоорганизации в разных биосистемах, например, активность биомоторов АТФ и ДНК-полимераз [1].
Таким образом, можно сказать, что потенциал ширяются перспективы в создании новых уникаль-бионики практически безграничен. Появляется все ных материалов и приборов. больше областей ее исследования, постоянно рас-
Литература
1. Кривомаз Т. Биомиметические материалы: как создают и применяют аналоги живых тканей? [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://fp.com.ua/foto/byomymetycheskye-materyaly-kak-sozdayut-y-prymenyayut-analogy-zhyvyh-tkanej/ (дата обращения: 18.02.2019).
2. Бионика в медицине - важнейшие открытия ученых [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http:// mikrobiki.ru/nauka/kletochnaya-inzheneriya/bionika-v-meditscine-vazhneishee-otkrytie-uchenyh.html (дата обращения: 18.02.2019).
3. Нанотехнологии и бионика в медицине [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www. copywriter-yastrebova.com/нанотехнологии-и-бионика-в-медицине/ (дата обращения: 18.02.2019).
4. Леонардо Да Винчи. Летательные аппараты [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www. sevparaplan.com/biblioteka/leonardo-da-vinchi/all-pages (дата обращения: 18.02.2019).
5. Сагдеева О. С., Гирфанова Л. Р. Использование принципов биомиметики при создании инновационных материалов в легкой промышленности [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://evansys.com/articles/ tekhnicheskie-nauki-nauchnye-prioritety-uchyenykh-sbornik-nauchnykh-trudov-po-itogam-mezhdunarodnoy-/ sektsiya-13-tekhnologiya-materialov-i-izdeliy-legkoy-promyshlennosti/ispolzovanie-printsipov-biomimetiki-pri-sozdanii-innovatsionnykh-materialov-v-legkoy-promyshlennosti/ (дата обращения: 18.02.2019).
