Биокомпозиты

Композиты — это материалы-конструкции, они конструируются из двух, трех или более материалов, обладающих различными свойствами и достаточно надежно соединенных друг с другом, чтобы обеспечить работу полученной системы как единого целого. Биокомпозиты это конструкции, созданные природой.

Природа давно уже строит свои конструкции из композиционных материалов. За примерами не нужно далеко ходить. Деревья, кости животных и людей, скелеты насекомых, зубы построены из композиционных материалов.

Древесина

Древесина — это композит, состоящий из большого числа полых целлюлозных волокон (трубок), стенки которых пропитаны органическими веществами типа смолы. С химической точки зрения материал, из которого изготовлены эти целлюлозные трубки, для всех деревьев практически один и тот же. Но мы знаем, что разные породы древесины существенно отличаются друг от друга. Это связано с разной толщиной стенок целлюлозных трубок, от которой зависит плотность древесины, а также с наличием у некоторых пород наряду с волокнами, ориентированными вдоль оси дерева, волокон, расположенных в радиальном направлении, то есть бегущих от центра ствола к периферии (например, у дуба).

Зубы человека

Зубы человека можно рассматривать как дважды биокомпозит, или композит на двух уровнях. На первом (макроскопическом) уровне — это композиционный материал, который состоит из двух составляющих: сравнительно мягкой внутренней (дентина) и твердой внешней (эмали). В свою очередь, на втором (микроскопическом) уровне каждая из этих составляющих также является композиционным материалом. Дентин — это композиция из небольших вытянутых микрокристалликов неорганического соединения гидроксилапатита и органического вещества коллагена, выполняющего роль основы (матрицы), в которую помещены вытянутые кристаллики.

Эмаль — это тоже композиция из тех же неорганических кристалликов и органической связки протеина. Но в дентине соотношение неорганической и органической фаз примерно 70:30, а в эмали 99:1. Такое различие в соотношении компонентов оказывается достаточным, чтобы привести к резкому различию свойств. Эмаль — очень твердый, прочный, но хрупкий материал. Дентин — более мягкий, он легче подвергается такому неприятному для человека процессу, как гниение, но зато он более вязкий.

Если бы зубы состояли из одной эмали, мы, наверное, не так часто обращались бы к стоматологу с просьбой запломбировать их, но зато прибавили бы работы хирургам, им пришлось бы удалять обломки наших зубов, крошащихся от надавливания на твердую косточку. А если бы зубы состояли только из дентина, мы все равно очень скоро лишились бы их, так как из-за гниения они бы разрушились сами по себе. И только благодаря композиционному строению, благодаря сочетанию материалов с различными свойствами зубы служат большинству людей в течение жизни.

Кости

Кости — тоже биокомпозиты. Исследованиями их свойств интенсивно занимаются специалисты в области композитов. Еще не полностью изучено устройство костей, образующие скелет человека или животного. Нам известно, что костная ткань содержит три основных компонента — минеральное вещество гидроксилапатит (~70 %), органическое вещество на основе белка коллагена (~20 %) и воду (~10 %). Изменение концентрации этих компонентов вызывает резкие изменения свойств костей. Например, увеличение содержания минеральной составляющей приводит к повышению прочности и жесткости кости, но при этом повышается ее хрупкость и снижается вязкость. Это нам известно. Но вот четкого представления о том, как распределены составляющие кости по ее объему и как они взаимодействуют между собой, пока нет. До недавнего времени считалось, что кость — это армированный материал, в котором минеральные волокна отделены друг от друга прослойками органической матрицы. Но в последние исследования позволяют считать, что и минеральная и органическая фазы образуют пространственные каркасы, взаимно проникающие друг в друга. Минеральный каркас воспринимает основную часть нагрузки при растяжении, сжатии, сдвиге, а роль органической составляющей сводится к выравниванию напряжении и торможению развития трещин в биокомпозите.

Зачем человеку необходимы знания о биокомпозитах? Они необходимы так же как знания о устройстве и работе мышц, сердца, легких и других органов человека, для того, чтобы:

1. Уметь лечить болезни, поражающие эти органы.
2. Уметь делать искусственные заменители, которые были бы вначале не хуже, а потом и лучше тех, что созданы природой. Уже сейчас научились изготавливать заменители костной ткани, которые состоят из минеральной составляющей и искусственных полимеров.
3. Чтобы использовать полученные данные не только в медицине, но в самых различных областях техники.