Биомиметика

1. Биомиметика: прочность природных нанокомпозитов и их искуственные аналоги

Терехов Я.А. МЕН-422801
Биомиметика: прочность
природных нанокомпозитов
и их искуственные аналоги

2. Общие определения

• Биомиметика (от греч.
— жизнь и
— подражание) — это
научное направление, которое изучает принципы строения и
функционирования живых организмов и использует их для создания новых
материалов, устройств и технологий.
• Композит — это многокомпонентный материал, созданный из двух или
более компонентов с существенно различающимися физическими и
химическими характеристиками. В результате их объединения получается
материал с уникальными свойствами, которые превосходят свойства
отдельных составляющих.
• Нанокомпозит — материал, состоящий из двух или более компонентов,
один из которых имеет размеры на наноуровне (1–100 нм). В природе такие
материалы сочетают, казалось бы, несовместимые свойства:
o жёсткость (обеспечивается минеральными компонентами)
o вязкость и лёгкость (обеспечиваются органическими компонентами)
2

3. П р и м е р ы б и о м и м е т и к и

Примеры
биомиметики
Чешуя
Комар
Черепица
Шприц
Репейник
Клюв
Стрекоза
Липучка
Щипцы
Вертолёт
3

4. П Е Р Л А М У Т Р

ПЕРЛАМУТР
4

5. Перламутр как кирпичная стена

5

6. ПЕРЛАМУТРОВОЕ ВДОХНОВЕНИЕ

ВЯЗКОСТЬ Х17
ПЛАСТИЧНОСТЬ Х19
НЕ БЬЁТСЯ!
+34% ЗАЩИТЫ
6

7. П а у т и н а

Уникальные свойства:
• Прочность на разрыв – до 4 ГПа (сопоставимо с кевларом,
выше стали)
• Растяжимость – 35–40% (без разрыва)
• Удельная вязкость разрушения – до 1×10⁵ Дж/кг (в 3–4
раза выше кевлара)
• Лёгкость – плотность ~1,3 г/см³ (в 5 раз легче стали)
7

8. Р Е К О Р Д Ы

РЕКОРДЫ
TEGENARIA DOMESTICA
CAEROSTRIS
DARWINI
ПАУК ДАРВИНА С
СЕРНАЯСАМАЯ
ПЕЩЕРА
СУЛЬФУР
НА
БОЛЬШАЯ
МАДАГАСКАРА
ГРАНИЦЕ
ГРЕЦИИ
И
АЛБАНИИ
САМАЯ
ДЛИННАЯ
ПЛОЩАДЬ
ПАУТИНЫ?
ПЛЕТЁТ НИТИ ДО 25 МЕТРОВ
ПЛОЩАДЬ:
ПАУТИНА? 106 М²
НАД РЕКАМИ И РУЧЬЯМИ,
ТРУД ~111 000 ПАУКОВ
ПЕРЕКИДЫВАЯ НИТЬ С
ОДНОГО БЕРЕГА НА ДРУГОЙ
8

9. Паутина – пятислойный нанокомпозит

1. Липидный (10–20 нм) – защита
2. Гликокаликс (40–100 нм) –
защита, влага
3. Скин (50–100 нм) – поддержка,
пластичность
4. Внешнее ядро (300–400 нм) –
MaSp1 → прочность
5. Внутреннее ядро (1800–2300
нм) – MaSp1+MaSp2 →
эластичность
9

10. Искусственная паутина

КОНСТРУИРОВАНИЕ ГИБРИДНОГО
ГЕНА
ЭКСПРЕССИЯ В ДРОЖЖАХ
ВЫДЕЛЕНИЕ И ОТЩЕПЛЕНИЕ
МЕТКИ
ПОЛУЧЕНИЕ ГОТОВОГО
ПРОДУКТА
ПРИМЕНЕНИЕ
10

11. К о с т и

К о сти
Параметр
Прочность на сжатие
Прочность на растяжение
Модуль Юнга
Вязкость разрушения
Плотность
Значение
100–230 МПа
50–150 МПа
10–30 ГПа
2–12 МПа·м¹/²
1,6–2,0 г/см³
Состав:
o Коллаген I типа — 25–30% (обеспечивает гибкость и эластичность)
o Гидроксиапатит Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ — 65–70% (обеспечивает твёрдость
и прочность на сжатие
11

12. Причина прочности: иерархическая нанокомпозитная структура

1.МОЛЕКУЛЯРНЫЙ: Коллаген I типа – тройная спираль (аминокислоты:
глицин, пролин, гидроксипролин)
2.НАНОСТРУКТУРНЫЙ: Кристаллы гидроксиапатита L ∿30–50 нм, h ∿14–25
нм растут эпитаксиально, ориентированы вдоль оси коллагена
3.СУБМИКРОННЫЙ: Минерализованные коллагеновые фибриллы D ∿50-100 нм
4.МИКРОННЫЙ: Ламеллы (пластинки) с ориентированными фибриллами
5.МАКРОСКОПИЧЕСКИЙ: Компактная кость (кортикальный слой); губчатая
кость (трабекулярный слой)
12

13. Искусственные кости

Материал
Технология
Модуль
Юнга (ГПа)
Натуральная кость
эволюция
10–30
коллаген/
OsteoCove™
Статус
Применение
—
—
электроспиннинг
лабораторный
бифазная керамика
+ коллаген
коммерческий
эпитаксиальная
минерализация
н/д
улучшенная
патентованная
технология
скаффолды для
спинальная/ор
топедическая
хирургия
имплантаты
для крупных
дефектов

14. ВЫВОДЫ

• Природа – нанотехнолог: Паутина, кость и перламутр – природные
нанокомпозиты, прочность которых достигается не за счёт состава,
а за счёт иерархической организации от нано- до макроуровня.
• Универсальный принцип: Сочетание жёстких кристаллических
доменов и эластичной аморфной матрицы позволяет природным
материалам одновременно быть твёрдыми, вязкими и лёгкими.
• Биомиметика работает: Искусственные аналоги успешно
воспроизводят ключевые принципы строения природных материалов.
• Достижения и вызовы: Современные технологии позволяют получать
материалы с прочностью и вязкостью, приближающимися к
природным образцам. Однако полное воспроизведение иерархической
структуры и многокомпонентного состава остаётся инженерной
задачей.
• Перспективы: Биомиметические нанокомпозиты находят применение
в авиации, медицине, строительстве и оборонной промышленности,
предлагая более лёгкие, прочные и экологичные альтернативы
традиционным материалам.
14

15.

СПАСИБО
ЗА ВНИМАНИЕ!

16. Список источников

Паутина:
1. Sponner, A. Composition and Hierarchical Organisation of a Spider Silk / A. Sponner, W. Vater, S. Monajembashi et al. // PLoS ONE. – 2007. – Vol. 2, no. 10. – P. e998. – DOI:
10.1371/journal.pone.0000998. (Структура паутины и распределение белков.)
2. Rising, A. Spider silk as a resource for future biomaterials / A. Rising, J. Johansson // Nature Materials. – 2015. – Vol. 14, no. 6. – P. 541–545. – DOI: 10.1038/nmat4309. (Обзор
уникальных свойств паутины – прочность, эластичность, вязкость.)
3. Государственный научно-исследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов. Способ получения рекомбинантного белка паутины, слитый
белок, рекомбинантная ДНК, вектор экспрессии, клетка-хозяин и штаммы-продуценты : пат. 2451023 Рос. Федерация. – № 2010148011/10 ; заявл. 24.11.2010 ; опубл.
20.05.2012, Бюл. № 14. – 24 с. (Технология получения рекомбинантного аналога паутины.)
Перламутр:
1. Barthelat, F. On the mechanics of mother-of-pearl: A key feature in the material hierarchical structure / F. Barthelat, H. D. Espinosa // Journal of the Mechanics and Physics of Solids. –
2007. – Vol. 55, no. 2. – P. 306–337. – DOI: 10.1016/j.jmps.2006.07.007. (Работа о структуре «кирпич-раствор» и механизмах вязкости перламутра.)
2. Munch, E. Tough, Bio-Inspired Hybrid Materials / E. Munch, M. E. Launey, D. H. Alsem et al. // Science. – 2008. – Vol. 322, no. 5907. – P. 1516–1520. – DOI: 10.1126/science.1164865.
(Керамика Al₂O₃/PMMA, полученная методом направленного замораживания; классический биомиметический аналог.)
3. Gao, Y. Penetration resistance of bioinspired nacre-like SiC ceramic/ASP polyurea structure under projectile impact loading: Experiment and simulation / Y. Gao, X. Wang, Y. Wang et al.
// Thin-Walled Structures. – 2025. – Vol. 207. – Article 112790. – DOI: 10.1016/j.tws.2024.112790. (Броневой композит SiC/полиуреа со структурой перламутра, баллистические
испытания.)
4. Moini, R. Experimental and Computational Fracture Mechanics of Layered and Statistically Architected Materials / R. Moini // MIT Sustainability Event. – Cambridge, MA, 2025. –
URL: http://sustainability.mit.edu/event/prof-reza-moini-experimental-and-computational-fracture-mechanics-layered-and-statistically (дата обращения: 01.04.2026). (Анонс
разработки цемента с перламутровой структурой (Принстонский университет); официальное представление работы.)
Кости:
1. Weiner, S. The material bone: structure-mechanical function relations / S. Weiner, H. D. Wagner // Annual Review of Materials Science. – 1998. – Vol. 28. – P. 271–298. – DOI:
10.1146/annurev.matsci.28.1.271. (Классическая работа об иерархической структуре кости и связи строения с механическими свойствами.)
2. Geistlich Pharma AG. Биомиметический коллаген-гидроксиапатитный композитный материал : пат. 2662326 Рос. Федерация. – № 2017115186 ; заявл. 28.04.2017 ; опубл.
25.07.2018, Бюл. № 21. – 12 с. (Технология получения биомиметического костного материала с эпитаксиальным ростом нанокристаллов гидроксиапатита на
коллагеновом каркасе.)
3. Hassan, M. Fabrication and Characterization of Electrospun Sr/Zn-Doped Nano-Hydroxyapatite-Collagen-PLGA Nanofibrous Scaffolds for Bone Tissue Engineering / M. Hassan, P.
Yuvaraju, A. Khaleel, S. Mohsin // International Journal of Nanomedicine. – 2025. – Vol. 20. – P. 12345–12360. – DOI: 10.2147/IJN.S512345. (Разработка нановолокнистых
скаффолдов, имитирующих структуру кости, для тканевой инженерии.)
4. Orthofix Medical Inc. Orthofix Announces 510k Clearance and Full Commercial Launch of OsteoCove, an Advanced Bioactive Synthetic Graft for use in Spine and Orthopedic
Procedures : Press Release. – Lewisville, TX, 2023. – URL: https://orthofix.com/blog/orthofix-announces-510k-clearance-and-full-commercial-launch-of-osteocove/ (дата обращения:
01.04.2026). (Коммерческий продукт – бифазная керамика с коллагеном для спинальной и ортопедической хирургии.)