Фізика полімерів шкіри

Якщо тривалий час перебувати у ванній, шкіра стає зморшкуватою. Частково це пояснюється тим, що вона відмінно вбирає воду. Раніше вчені вже висловлювали припущення, що така висока адсорбційна здатність може бути пов’язана з унікальною упаковкою білкових ниток у клітинах шкіри. Але тепер у своїй останній роботі вчені з Німеччини розробили повну термодинамічну модель процесу гідратації і розширення шкіри. Як виявилося, цей оборотний процес заснований на балансі між розширенням ниток (викликаних надлишком води) і пружиноподобным стисненням, виявлений вченими. Створена ними модель повністю узгоджується з експериментальними даними, а результати роботи дослідників в перспективі допоможуть краще зрозуміти, як працюють шкірні захворювання. Крім того, знання властивостей шкіри в перспективі дасть можливість розробити міцні і гігроскопічні матеріали.

Шкіра має чудову здатність поглинати воду, істотно збільшуючись в об’ємі, а потім висихати, звертаючи процес назад, без будь-яких побічних ефектів. Це властивість виконує кілька функцій, одна з яких полягає в регулюванні рівня гідратації всередині тіла. Розпухання і поглинання води відбувається в зовнішньому шарі шкіри, який складається з мертвих клітин, званих корнеоцитами (ці клітини укладений, як цегла).

Корнеоциты в свою чергу заповнені мережею жорстких ниток, що представляють собою форми білка кератину. Ще в 2011 році вчені з Australian National University (Австралія) запропонували геометричну модель структури цих ниток (так звану сигма-стрижневу упаковку). У цій моделі кожна нитка являє собою довгу спіраль. Проникаючи один в одного, нитки, спрямовані в чотири різні сторони в просторі, формують упорядковану тривимірну сітку. При розтягуванні спіралей ця структура може збільшувати обсяг в п’ять разів, не втрачаючи упаковку.

Тепер же колеги вчених з University of Tübingen (Німеччина) зробили наступний крок у спробах показати, як ця структура допомагає клітинам шкіри набухати і скорочуватися.

Вони розробили повну термодинамічну модель, яка описує, як енергія системи змінюється в залежності від відстані між елементами мережі і розмірів спіралі.

Енергетичні розрахунки для даної упаковки показали, що

структура насправді схильна поглинати воду і розширюватися. Однак існують і інші процеси, які, в кінцевому рахунку, звертають назад розширення системи. Передували вимірювання пружності ниток, що формують структуру шкіри, переконливо доводять, що напруга в розтягнутому стані якраз і забезпечує протидіючу силу. Чим більше розтягнута нитка – тим більше пружна енергія. Додавання цієї енергії до отриманої раніше моделі дозволило отримати повний опис механізму розширення і стиснення шкіри.

Для кращого розуміння отриманих результатів наукова група використовувала тривимірний графік, де висота відображала енергію системи, а дві горизонтальні координати – відстань між спіралями і радіус окремої спіралі в структурі (згаданій вище упаковці).

За допомогою чисельного моделювання вони визначили діапазон параметрів гратки та спіралей, при яких енергія виявлялася поблизу мінімуму. Результати переконливо доводили, що геометрія ниток кератину має вирішальне значення з точки зору реакції шкіри на воду. До речі, у рамках свого експерименту вчені визначили, що розширення шкіри має відбуватися на 11 – 38% (що цілком узгоджується з виміряним раніше експерименту з діапазоном 15 – 35%).

Детальні результати роботи опубліковані в журналі Physical Review Letters. Як вважають колеги вчених,

опублікована робота дає цінну інформацію про функції шкіри на проміжних масштабах (між макро – і молекулярною структурою). Ця інформація необхідна для розуміння процесів, розробки нових методів лікування дерматиту та інших шкірних захворювань, включаючи аномальну вологість шкіри. Крім того, дослідники вважають, що на основі отриманих даних можна створювати тканини або будівельні матеріали, які засновані на здатності шкіри змінювати свій об’єм під дією вологи.

Залишити відповідь

Ваша e-mail адреса не оприлюднюватиметься. Обов’язкові поля позначені *