Теплый лед может сделать имплантаты более биосовместимыми

Слои льда на поверхности <br> алмаза, покрытого натрием Слои льда на поверхности
алмаза, покрытого натрием

С помощью теоретического моделирования показано, что несколько слоев льда могут оставаться «замороженными» при температуре человеческого тела, если их выращивать на слое ионов натрия, покрывающем алмаз.

«Покрытия изо льда могли бы сделать алмазные имплантаты более биологически совместимыми,» — утверждает команда ученых из Университета Гарварда.

Тонкие алмазные покрытия наносятся на все большее число износостойких медицинских имплантатов, типа протезов, искусственных клапанов сердца и суставов. Однако, алмаз приводит к сворачиванию крови, вызывая коагуляцию белков. Кроме того, его твердость приводит к большему трению с окружающими тканями, нежели при использовании других материалов. Лед мог бы уменьшить эти эффекты, предоставляя биологически совместимый водный интерфейс.

Александр Висснер-Гросс (<a href=”http: // www.alexwg.org/”>Alexander Wissner-Gross) и Эфсимиос Каксирас (<a href=”http: // www.seas.harvard.edu/ekaxiras”>Efthimios Kaxiras) вычислили, что проблему можно решить, закрепив слой ионов натрия на алмазной поверхности.

Такой слой ионов натрия привел бы к образованию слоя льда толщиной приблизительно 2 нанометра при 37°C (температура человеческого тела), таким образом обеспечив биологически совместимое покрытие.

Исследователи использовали для моделирования метод молекулярной динамики (взаимодействие частиц описывалось потенциалом Леннард-Джонса и Кулона). В частности они моделировали движение молекул воды, находящихся рядом с поверхностью алмаза, покрытого ионами натрия, в течение длительного времени. Вычисления показали, что слой льда может остаться замороженным при высоких температурах благодаря дипольным взаимодействиям между молекулами воды и поверхностью пленки.

В 2001 исследователи получили лед в углеродных нанотрубках; в прошлом году другая группа создала наноразмерные кусочки льда при комнатной температуре и показала, что такой лед может выступать как нежелательный «клей» в наноустройствах. Но данный теоретический результат является первым, предлагающим практическую реализацию нанольда.

«Это — интересный результат,» – говорит Дэвид Мартин (David Martin), профессор биомедицинской технологии в Университете Мичигана и главный научный консультант в Biotectix, компании, которая делает мягкие полимерные покрытия для биомедицинских устройств.  —Возможность создавать гидрофильньный слой на твердом алмазном или алмазоподобном основании может вполне способствовать прогрессу биомедицине." Однако, Мартин предупреждает, что новый метод не решит главную проблему — что механические свойства имплантатов несовместимы с мягкой биологической тканью. «Ледяное покрытие будет чрезвычайно тонким, и различия в механических свойствах будут незначительными,» — говорит он.

Александр Висснер-Гросс создал<a href=”http: // www.alexwg.org/DiamondIce.mov”>короткий фильм об исследовании, который можно посмотреть на его веб-сайте.

С одной стороны, методы молекулярной механики не применимы к ионным водным системам из-за их сложной системы химических взаимодействий. Да и сама система вызывает множество вопросов. С другой стороны, результат предсказуем, так как поверхностный слой у гидрофильной поверхности остается неподвижным, и речь идет только о том, сколько слоев льда будет «замораживать» та или иная поверхность. Однако сама идея с помощью полярного бислоя создать водную смазку кажется весьма перспективной…

Дмитрий Лещев

Пожалуйста, оцените статью:
Пока нет голосов
Источник(и):

http://www.alexwg.org/…RevE2007.pdf

http://technology.newscientist.com/…patible.html



artyukhov аватар

С одной стороны, методы молекулярной механики не применимы к ионным водным системам из-за их сложной системы химических взаимодействий.

Брр… В ссылке из New Scientist – другая статья, но тоже интересная и на схожую тему. Abstract:

In particular, a mixed monolayer of Na and F atoms leads to superhydrophilic behavior, as shown by first-principles calculations.

dimvovich аватар

Я ее там прочитал, если интересно, могу прислать :-) По поводу второй цитаты, могу сказить, что из первых принципов нельзя корректно посчитать такую систему (опять же из-за воды и заряда). Как видно из картинки, в той статье не было даже намека на фтор… Так что можно рассматривать цитату, как подтверждение моих слов.

artyukhov аватар
  1. Не совсем понял, при чём здесь фтор.
  2. Однако люди уже давно и достаточно успешно считают такие системы и квантово-химическими методами, и классическими моделями. Тут, конечно, встаёт вопрос о том, а что вообще такое «корректно».
dimvovich аватар

Фтор у Вас в цитате и в статье со ссылки. Считать можно все что угодно и как угодно. Вопрос действительно в «корректно». Вода описываться моделями, в которые можно подставить любые числа и получить то, что хочется. А из-за многовариантности поиск минимумов – задача на десятилетия. А если еще динамику наложить…Сказать, что заряженная ионная система будет гидрофильной можно и без квантов :-)

artyukhov аватар

Однако вывод авторов этой работы о том, что возле таким образом «гидрофилизированной» поверхности алмаза даже при комнатной температуре вода будет находиться в кристаллическом состоянии представляется мне вполне корректным.

Подставить любые числа можно в любую модель, однако это совершенно не мешает для исследования физических явлений использовать такие модели и числа, которые хорошо описывают те или иные свойства системы, родственные изучаемым. Что же касается ab initio, то там числа совершенно не «любые» (хотя есть, конечно, произвол в выборе метода).

dimvovich аватар

Он может и корректный, но как я уже писал – очевидный. (Но ради этого вывода статья и переводилась.) При описании среды и в ab initio используются параметры, которые подгоняются под описание известных данных. Если это лед, то у него будет другая диэлектрическая проницаемость, чем у воды, и т.д. Поскольку я сам в свое время описывал кластеры в воде, то представляю, что это за кухня. В любом случае, касательно этой работы, порождается больше вопросов, чем ответов. Один слой ионов натрия чего стоит!

artyukhov аватар
и в ab initio используются параметры, которые подгоняются под описание известных данных
По определению ab initio – нет :)
Он может и корректный, но как я уже писал — очевидный.
А мне вот то, что там целых несколько слоёв льда будет, совершнно не представлялось очевидным.
я сам в свое время описывал кластеры в воде
Практически коллеги :)

Категории статьи