Czy implanty i cyborgi będą zrobione z melaniny?
Od lat wiadomo, że eumelanina – ciemny barwnik melaniny – może przewodzić prąd. Dotąd jednak jego wydajność była niewielka. Włoscy naukowcy opracowali metodę, dzięki której miliard razy zwiększają przewodnictwo tego pigmentu. To czyni go doskonałym materiałem dla bioelektroniki i implantologii.
Melanina, pigment znajdujący się w naszej skórze, we włosach i w gałce ocznej, występuje w dwóch formach – eumelaniny i feomelaniny. Ta pierwsza odpowiedzialna jest za kolory od brązowego do czarnego, a druga – od czerwonego do żółtego. Ich występowanie w naszym organizmie decyduje o kolorze skóry, włosów i oczu. Eumelanina, której przewaga sprawia, że skóra i oczy są ciemniejsze, chroni też naszą skórę przed promieniowaniem UV – dlatego osoby o ciemniejszej karnacji mogą dłużej bezpiecznie przebywać na słońcu i mniej odczuwają skutki opalania.
Od dawna wiadomo też, że eumelanina jest przewodnikiem prądu – jak dotąd jednak uznawano, że zbyt słabym, żeby jej zastosowanie było praktyczne i opłacalne. Przełomowe badania w tym zakresie przedstawili włoscy naukowcy na łamach czasopisma „Frontiers in Chemistry”. Badaczom udało się zmienić strukturę eumelaniny, podgrzewając ją w próżniowych warunkach. Ten proces, jak oznajmiają, o miliard razy podniósł możliwości przewodnictwa elektrycznego eumelaniny.
– To sprawia, że elektronika oparta na melaninie, od dawna oczekiwana, jest wreszcie możliwa - wyjaśniają dr. Alessandro Pezzella z Uniwersytetu Neapolitańskiego im. Fryderyka II i dr. Paolo Tassini z Włoskiej Narodowej Agencji Nowych Technologii, Energii i Zrównoważonego Rozwoju Ekonomicznego (ENEA), główni autorzy badania. – Ze względu na biokompatybilność pigmentów, to odkrycie może znaleźć zastosowanie przede wszystkim w implantologii.
Twierdzenie o tym, że eumelanina mogła by być doskonałym materiałem przy produkcji elektroniki, powtarza się już od kilku dekad, odkąd odkryto, że przewodzi prąd. Jej największymi atutami jest to, że jest w pełni biokompatybilna – melaniny występują w wielu organizmach i ich pojawienie nie spotkałoby się z reakcją immunologiczną – i biodegradowalna, kiedy zakończy cykl swojej pracy i trafi do środowiska.
Dotychczasowe próby zwiększenia jej przewodnictwa spełzały jednak na niczym. Próbowano mieszania z metalami i podgrzewania aż do uzyskania materiału podobnego do grafenu. Jednak dopiero determinacja i pomysłowość zespołu wywodzącego z się Neapolu doprowadziła do sukcesu.
– Wszystkie chemiczne i fizyczne analizy eumelaniny przedstawiają ten sam obraz – warstwy cząsteczek współdzielące ze sobą elektrony, połączone w nieuporządkowane stosy – opowiadają dalej badacze. - Rozwiązanie wydało nam się oczywiste: należy uporządkować stosy i ułożyć warstwy, tak żeby elektrony mogły swobodnie przepływać. To musi sprawić, że elektryczność popłynie zgodnie z planem.
Technika, którą zastosowano, określana jest jako wyżarzanie i bywa stosowana przy obróbce metali, której celem jest zmiana ich właściwości, takich jak przewodnictwo. Pierwszy raz zastosowaną ją do błon sztucznej eumelaniny. W warunkach próżniowych podgrzewano pigment, próbując różne czasy i temperatury. Przy temperaturze 200 stopni wydajność wzrosła tysiąckrotnie. Po dwóch godzinach w temperaturze 300 stopni, przewodzenie było już miliard razy większe niż naturalne.
Rezultat eksperymentu badacze nazwali High Vacuum Annealed Eumelanin, HCAE. W wyniku tego działania błony, wcześniej mające grubość podobną do bakterii, teraz przeszły do skali wirusa. Ich struktura uległa uporządkowaniu a ich przewodnictwo polepszyło się tysiąckrotnie. Jedyna słabość, jaką zauważono, to zmniejszanie się przewodzenia pod wpływem wody.
Taki materiał doskonale nadaje się do produkcji organicznej elektroniki i bioelektroniki. Jego potencjał jest bardzo duży szczególnie w zakresie produkcji implantów. Wymaga to jednak jeszcze dalszych badań.
Artykuł źródłowy: Ludovico Migliaccio et al, Evidence of Unprecedented High Electronic Conductivity in Mammalian Pigment Based Eumelanin Thin Films After Thermal Annealing in Vacuum, Frontiers in Chemistry (2019). DOI: 10.3389/fchem.2019.00162
Opracowano na podstawie artykułu Will cyborgs be made from melanin? Pigment breakthrough enables biocompatible electronics, opublikowanego na portalu Phys.org.
