Группа ученых из Уральского федерального университета и израильского научно-исследовательского Института имени Вейцмана близка к созданию совместимых с человеческим организмом пьезоэлектрических элементов из кристаллов глицина. Исследовательский проект «Пироэлектрические и пьезоэлектрические свойства легированных биомолекулярных кристаллов» поддержали Российский фонд фундаментальных исследований и министерство науки и технологии Израиля (грант рассчитан на три года). Одни из последних результатов работы группы исследователей представлены в журнале Sensors and Actuators A: Physical.
«Профессор Игорь Любомирский, под чьим руководством в Израиле выращивают кристаллы, — всемирно известный специалист по легированию кристаллов аминокислот, — говорит заведующий лабораторией наноразмерных сегнетоэлектрических материалов УрФУ Андрей Холкин. — Бета-глицин, та фаза глицина, с которой нам предстоит работать, неустойчива, но посредством направленного улучшения свойств аминокислоты нашему коллеге удается стабилизировать бета-глицин и выращивать кристаллы крупных размеров. Это возможно благодаря использованию различных дипольных добавок. Из-за разницы дипольного момента „гостевой“ и замещаемой молекул внедрение „гостя“ в решетку кристалла-„хозяина“ локально искажает „принимающую“ среду и превращает неполярные кристаллы в полярные с контролируемыми свойствами».
Задача физиков УрФУ — измерить, как на молекулярную среду влияют дипольные добавки и изменение температуры. Цель проекта — добиться наибольшей эффективности молекулярных кристаллов глицина, чтобы при малом воздействии возникал максимально сильный отклик, от 10 вольт и выше.
«Подчеркну, что наш, российский, коллектив является одним из мировых лидеров в исследованиях свойств функциональных материалов, в том числе органических и биомолекулярных, методами сканирующей зондовой микроскопии. Центр коллективного пользования „Современные нанотехнологии“ оборудован специальным помещением, изолированным от шумов и вибрации, и уникальным прибором — лазерным интерферометром, который собран нашими руками и позволяет проводить измерения деформации с точностью до долей атома», — рассказывает директор центра «Современные нанотехнологии» УрФУ Владимир Шур.
Успех проекта откроет новые возможности применения кристаллов глицина и других аминокислот как функциональных биоматериалов — в частности, в качестве источников питания электрокардиостимуляторов, а также при лечении заболеваний головного мозга, к примеру, болезней Паркинсона и Альцгеймера.
Молекулы глицина также могут быть полезны в решении проблемы с искусственными имплантами. Простейшая аминокислота известна как успокаивающее и антидепрессивное средство. И ученые предлагают покрывать импланты, заменяющие «выбывшие из строя» кости и суставы, молекулами глицина. Импланты, изготовленные из неорганических материалов, зачастую отторгаются человеческим организмом как чужеродные, и использование глицина в качестве покрытия дает два важных преимущества. Во-первых, глицин — органическое соединение и, значит, совместим с человеческим организмом. Во-вторых, кристаллы глицина являются пироэлектриками и пьезоэлектриками: генерируют электрический заряд при изменении температуры и при механической деформации и, наоборот, деформируются во внешнем электрическом поле.
«Многие органы, в том числе кости, сами являются пьезоэлектриками, поэтому при движении человека, например, при ходьбе, имплант с покрытием из глицина сможет помогать им вырабатывать электричество и, таким образом, способствовать заживлению травм опорно-двигательного аппарата», — комментирует Владимир Шур.
Отметим, молекула глицина — углерод, водород, кислород и азот — самая маленькая из всех аминокислот. Глицин называют «молекулой жизни»: считается, что там, где есть молекулы глицина, присутствует органическая жизнь. Известно, что глицин был обнаружен в межзвездной пыли и в облаке газа вокруг кометы Чурюмова-Герасименко. И это еще один аргумент в пользу гипотезы, что жизнь на Землю занесена из космоса.