Biomimetika a biominerály

Biomimetika je obor, který se zabývá napodobováním přírodních materiálů a struktur. Vychází z bioniky, tj. ze zkoumání principů živé přírody, a tyto poznatky využívá při řešení technických problémů. Sama biomemimetika je mladá (vznikla v osmdesátých letech 20. století), myšlenka napodobit přírodu je však stará. Svým způsobem se o to pokoušeli už alchymisté, ale většinou neznali přírodní zákonitosti do hloubky, a proto jejich výsledky bývaly spíš nahodilé.

Biomimetika jako taková se nejprve začala využívat ve fyzice, zejména v aplikované mechanice některé stroje jsou konstruovány tak, že detailně napodobují mechanický pohyb živočichů. Dalším oborem, který využívá konstrukce přírodních objektů již delší dobu, je stavebnictví (viz též Vesmír 77, 683, 1998/12). Objekty vytvářené rostlinami nebo živočichy však nejsou zajímavé jen rozmanitou architekturou, která má řadu unikátních vlastností. Neméně důležitým zdrojem poznání jsou různé anorganické materiály (biominerály), z nichž jsou utvořeny například kostry živočichů, ulity, skořápky, korálové útvary, krunýře apod. (obrázek až obrázek a obrázek).

Biominerální materiály

Každý biominerál vzniká řízeným ukládáním minerálů v organické matrici, která je tvořena přírodními polymery, jako jsou proteiny nebo polysacharidy. Fascinující jsou nejen jejich makroskopické tvary, ale také mikrostruktura. I ta je svědectvím o rozmanitosti přírody, hlavně však určuje řadu fyzikálně-chemických vlastností daného materiálu. Vynikající mechanické vlastnosti má například zub. Při dobré údržbě vydrží řadu let, a přitom roste za běžných podmínek (vznik zubu nevyžaduje ani vysoký tlak, ani vysokou teplotu). Nedalo by se to nějak využít? Ještě větší zájem vzbuzuje otázka, jakým způsobem organizmy stavějí své schránky či ulity. Odpověď na ni dnes hledá řada světových pracovišť biologických, chemických i biochemických. Výzkum probíhá na úrovni makromolekul, ale rozvíjejí se už i metody na úrovni buněk. Vzájemné působení mezi anorganickými ionty a organickou makromolekulou se zkoumá přístupem fyzikálně-chemickým. ¹⁾ Pokud z biominerálu odstraníme anorganickou složku (např. uhličitan vápenatý a uhličitan hořečnatý), zbude organická matrice, tedy šablona, ve které byl minerál uložen. Analýzou organických matric se zjistilo, že jde zejména o proteiny (popř. polysacharidy), v nichž se vyskytuje značné množství kyseliny asparagové, glutamové, serinu a dále některé monosacharidy s navázanou kyselinou fosforečnou nebo s karboxylovou funkční skupinou. Chemikové již dovedou stanovit základní stavební jednotky makromolekul a určit pořadí i způsob, jímž jsou základní molekuly řazeny. A jestliže chemikové zjistí detailní architekturu makromolekuly v přírodě, mohou ji syntetičtí chemikové podle tohoto vzoru připravit. Není však nutno syntetizovat přesnou přírodní kopii (bylo by to náročné, a tudíž drahé), stačí připojit na vhodný syntetický polymer příslušné aminokyseliny, nebo dokonce jen funkční skupiny. Pokud máme takový polymer (molekulární nástroj),

můžeme po vzoru přírody vytvořit složený neboli kompozitní materiál (viz též Vesmír 79, 130, 2000/3). Shrňme: Biominerální materiály vznikají krystalizací anorganických látek v prostředí organických makromolekul. Tyto materiály mají zajímavou strukturu i zajímavé mechanické vlastnosti. (Jsou to úplně jiné kompozity než ty klasické, které vznikají smícháním samostatně vzniklých krystalů a organického pojiva.)

Vliv matrice na tvar krystalu

Ukažme si to na praktickém příkladu: K vodnému roztoku polymeru velmi pomalu přidáváme zředěné roztoky uhličitanu sodného a chloridu vápenatého. Probíhá reakce, při které vzniká chlorid sodný a ve vodě nerozpustný uhličitan vápenatý. Vápenaté ionty nejprve reagují s funkčními skupinami polymeru (matrice) a zabudovávají se do něj. Když je polymer vápenatými ionty nasycen, začne se tvořit pevný uhličitan vápenatý, jehož krystalická struktura je však ovlivněna chemickým složením matrice. Protože jsme nepoužili polymer identický s přírodním, bude mikrostruktura našeho produktu jiná než v přírodě.

Vliv matrice na tvar krystalu vynikne, jestliže porovnáme různě modifkované polymery (modrý obrázek část A až C) s obvyklým tvarem krystalu síranu barnatého (modrý obrázek D), který byl připraven za stejných podmínek, ale bez přítomnosti polymeru. Otázky, které vědci řeší, znějí: Jak máme na molekulární úrovni upravit matrici, abychom získali předem určenou strukturu kompozitního materiálu? Jakými zákonitostmi se řídí kontrolovaná krystalizace? Jestliže se podaří najít na tyto otázky odpověď (viz též Vesmír 78, 197, 1999/4), otevřou se dveře novým postupům při konstrukci unikátních kompozitních materiálů.

Modifikované polymery jsou většinou složeny ze dvou řetězců. Jednu část tvoří poly(ethylenglykol), jenž zajišťuje rozpustnost ve vodě, druhou část, která má velkou afinitu ke kovovým iontům, tvoří oligopeptidy nebo polypeptidy. Ačkoliv teorie biomineralizace dosud není ucelená, výzkum již přináší praktické výsledky, zejména nové nanokompozity, které lze využít v řadě oborů (viz Vesmír 79, 617, 2000/11). Afinita zmíněných polymerů vůči vápníku může být využita rovněž v medicíně, například k rozpouštění ledvinových nebo močových kamenů, a v levnější podobě také jako aditivum bránící vzniku kotelního kamene. Jak modifikované polymery, tak nanokompozity nacházejí uplatnění i jako nosiče některých léčiv (viz též Vesmír 82, 497, 2003/9).