Nauka wokół nas: Słodka tajemnica szkła

AKTUALNOŚCI, POLSKA, STYL ŻYCIA, ŚWIAT

Szkło jest znane ludzkości od niepamiętnych czasów. Mieszkańcy regionów w których była obecna aktywność wuklaniczna, mieli dostęp do szkła występującego tam naturalnie od zarania dziejów. Naturalne szkło, takie jak obsydian powstaje na drodze natychmiastowego stygnięcia magmy, dając bardzo ostre i twarde odłupki.

sxc

Pierwsze narzędzia produkowane na bazie tego surowca powstały w kulturze aszelskiej a możliwe, że w prawdopodobnie wcześniejszej kulturze olduwajskiej, czyli w pierwszych etapach rozwoju kultury ludzkiej 2,0-1,7 mln lat temu. Materiał ten jest ciągle z powodzeniem używany w chirurgii i jest stosowany do produkcji obsydianowych skalpeli.

W Mezopotamii wyrabiano z niego ozdoby i broń. Szkło w życiu codziennym kojarzy nam się teraz głównie ze szklankami, czy też szybami okiennymi. W przypadku tego tak dobrze nam znanego szkła, głównym składnikiem jest kwarc z różnymi dodatkami, między innymi z węglanem sodu oraz węglanem wapnia. Jakkolwiek, w zależności od surowca stosowanego przy produkcji szkła, można uzyskać materiał o różnorodnych właściwościach i tym samym wielorakich zastosowaniach. Szkło może być produkowane ze stopów metali, roztworów wodnych, cieczy jonowych (sól w stanie ciekłym), czy też polimerów.

Szkła polimerowe są stosowane do produkcji butelek, ze względu na mniejszą wagę i większą trwałość aniżeli szkło tradycyjne. Przykładów w jaki sposób można zastosować szkło jest niezliczona ilość, wyliczając od szkła budowlanego, laboratoryjnego (Pyrex, Vycor), kuchennego, dekoracyjnego (szkło zawdzięczające kolor dzięki obecności tlenków metali), szkła optycznego (soczewki), aż do włókna szklanego stosowanego przy produkcji światłowów oraz kompozytów takich jak tzw. laminaty, które są popularnymi materiałami konstrukcyjnymi stosowanymi w przemyśle samochodowym i lotnictwie.

Mimo tego, że szkło znane jest ludzkości od niepamiętnych czasów, to możliwości jego wykorzystania ciągle nas zaskakują. Wynika to prawdopodobnie z zaskakujących właściwości szkła. Samo podanie definicji szkła nastręcza pewnej trudności i ciężko jest znaleźć jedną definicję określającą czym jest ten materiał. Jedna z nich mówi, że szkło jest materiałem nieorganicznym, który uzyskał postać stałą na drodze schłodzenia bez etapu krystalizacji. Inną definicją, chyba najbardziej popularną jest ta bazująca na sposobie rozmieszczenia elementów tworzących sieć przestrzenną szkła, mówiąca że struktura szkła nie ma tzw. uporządkowania dalekiego zasięgu.

Oznacza to, że struktura szkła przypomina rozmieszczenie cząsteczek w cieczy, czyli krótko mówiąc, szkło nie posiada struktury typowej dla ciał stałych z ustaloną strukturą krytaliczną. Aby doszło do powstania sieci krystalicznej, cząsteczki muszą tworzyć regularne struktury wielokrotnie większe niż rozmiar tych cząsteczek. Ciała stałe posiadające strukturę krystaliczną, działają jak siatka dyfrakcyjna dla promieniowania rentgenowskiego. Ciała stałe nie mające uporządkowania dalekiego zasięgu, a więc nie tworzące regularnych struktur nazywa się amorficznymi i szkło jest właśnie przykładem takiego materiału.

Posiada ono w swojej strukturze regiony, które są w pewien sposób zorientowane, jakkolwiek rozmiar tych obszarów jest ciągle niewystarczający aby stanowić siatkę dyfrakcyjną dla promieniowania rentgenowskiego. Kolejną ciekawostką jest fakt, iż zgodnie z zasadą termodynamiki, stan energetyczny sieci amorficznej szkła jest wyższy od jego krystalicznego odpowiednika, czyli każde szkło dąży naturalnie do krystalizacji, ale ze względu na wysoką lepkość ten proces nie zachodzi w warunkach naturalnych.

W licowym numerze Nature Materials (1) możemy przeczytać o kolejnym sposobie wykorzystania szkła a dokładnie o szklanych siatkach węglowodanowych, modelujących kształt naczyń krwionośnych w tkankach, które mogą w przyszłości posłużyć do produkcji sztucznych organów stosowanych w transplantologii. Obecność naczyń krwionośnych jest niezwykle istotna przy pracy nad sztucznymi tkankami. Okazuje się, że komórki w znajdujące się w środku tych tkanek często umierają ze względu na brak składników odżywczych. Dlatego też istotne stało się uzyskanie tkanek, które posiadałyby w swej strukturze rozbudowany system naczyń krwionośnych. Grupa badawcza pod kierownictwem bioinżyniera Christophera Chena z Uniwersytetu Pennsylvania uzyskała szklane siatki trójwymiarowe, które zostały użyte jako cytozgodne rozpuszczalne matryce w docelowych tkankach. Szkło węglowodanowe uzyskano z niedrogich i łatwo dostępnych cukrów takich jak glukoza, sacharoza i dekstran, który wzmacnia całą strukturę. Trójwymiarowa szklana sieć uzyskana tą metodą została następnie pokryta polimerem, który rozpuszczał się wolniej niż sama siatka cukrowa. Kiedy żel zaczął polimeryzować wokół siatki, szklana siatka uległa rozpuszczeniu zostawiając sieć kanalików, które pokryto następnie komórkami śródbłonka i podłączono do sztucznego systemu krążenie krwi. Metoda ta umożliwia hodowlę wielu tkanek na bazie różnorodnych komórek, takich jak komórki wątroby czy też nerek.

Obecność naczyń krwionośnych w tkankach hodowanych w laboratoriach, może stanowić przełom w tworzeniu sztucznych organów. Obecnie wytwarzane tkanki nie mogą mieć więcej niż 0.5 mm grubości, ponieważ grubsze tkanki nie miały by szans na efektywne dostarczenie składników odżywczych do wszystkich komórek. Dzięki przełomowego odkryciu możliwe jest na chwilę obecną tworzenie tkanek centymetrowych. Jednak aby uzyskać tkanki wielkości serca, trzeba będzie wytworzyć o wiele bardziej rozbudowane sieci naczyń krwionośnych, rozgałęziające się w drobniejsze naczynia włosowate, co stanowi kolejne olbrzymie wyzwanie dla naukowców.

źródła:
(1)Rapid casting of patterned vascular networks for perfusable engineered three-dimensional tissues. 2012. Nat. Mater., DOI: 10.1038/NMAT3357.

KLK

Powiązane wpisy


Drogi czytelniku, nasza strona internetowa korzysta z plików cookies
Więcej informacji na ten temat znajdziesz tutaj.

Prawa autorskie © 2010-2014 NEWSFix Magazine.
Wszelkie prawa zastrzeżone.

Powrót do góry