Ny måde at fremstille biomedicinsk udstyr på af silke giver bedre produkter med afstembare kvaliteter

Forskere ledet af ingeniører ved Tufts University har udviklet en roman, betydeligt mere effektiv fremstillingsmetode for silke, der giver dem mulighed for at opvarme og støbe materialet til faste former til en bred vifte af applikationer, herunder medicinsk udstyr. Slutprodukterne har overlegen styrke sammenlignet med andre materialer, har fysiske egenskaber, der kan "tunes" til specifikke behov, og kan modificeres funktionelt med bioaktive molekyler, såsom antibiotika og enzymer. Den termiske modellering af silke, beskrevet i Naturmaterialer , overvinder adskillige forhindringer for at muliggøre fremstillingsfleksibilitet, der er fælles for mange plasttyper.

"Vi og andre har udforsket udviklingen af ​​mange silkebaserede enheder gennem årene ved hjælp af løsningsbaseret fremstilling, " sagde David Kaplan, Stern Family Professor of Engineering ved Tufts University School of Engineering og tilsvarende forfatter til undersøgelsen. "Men denne nye solid-state-fremstillingstilgang kan reducere tiden og omkostningerne ved at producere mange af dem betydeligt og tilbyde endnu større fleksibilitet i deres form og egenskaber. Yderligere, denne nye tilgang undgår komplikationerne med løsningsbaserede forsyningskæder for silkeproteinet, som skulle lette opskalering i produktionen."

Silke er en naturlig proteinbaseret biopolymer, der længe har været anerkendt for sine overlegne mekaniske egenskaber i fiber- og tekstilform, producerer holdbare stoffer og brugt i kliniske suturer i tusinder af år. I løbet af de sidste 65 år, forskere har udtænkt måder at nedbryde fibrene og rekonstituere silkeproteinet, kaldet fibroin, i geler, film, svampe og andre materialer til applikationer, der spænder fra elektronik til ortopædiske skruer, og udstyr til medicinafgivelse, vævsteknik, og regenerativ medicin. Imidlertid, nedbrydning og rekonstituering af fibroin kræver en række komplekse trin. Derudover proteinets ustabilitet i vandopløselig form sætter grænser for krav til opbevaring og forsyningskæde, hvilket igen påvirker rækkevidden og egenskaberne af materialer, der kan skabes.

Forskerne rapporterede, at de har overvundet disse begrænsninger ved at udvikle en metode til solid-state termisk behandling af silke, hvilket resulterer i støbning af proteinpolymeren direkte til bulkdele og enheder med justerbare egenskaber. Den nye metode - svarende til en almindelig praksis inden for plastfremstilling - involverer fremstilling af nanostrukturerede 'pellets' med diametre fra 30 nanometer til 1 mikrometer, der fremstilles ved frysetørring af en vandig silkefibroinopløsning. Nanopellets opvarmes derefter fra 97 til 145 grader Celsius under tryk, når de begynder at smelte sammen. Den plisserede struktur af silkeproteinkæderne bliver mere amorfe, og de smeltede pellets danner bulkmaterialer, der ikke kun er stærkere end de opløsnings-afledte silkematerialer, men også overlegne i forhold til mange naturlige materialer såsom træ og anden syntetisk plast, ifølge forskerne. Pellets er et fremragende udgangsmateriale, da de er stabile over lange perioder og dermed kan sendes til produktionssteder uden krav om bulkvand, resulterer i betydelige besparelser i tid og omkostninger.

Egenskaberne af den varmestøbte silke, såsom fleksibilitet, træk- og trykstyrke, kan indstilles til specifikke områder ved at ændre betingelserne i støbeprocessen, såsom temperatur og tryk, mens bulkmaterialerne kan bearbejdes yderligere til enheder, såsom knogleskruer og øreslanger, eller præget med mønstre under eller efter den indledende støbning. Tilføjelse af molekyler såsom enzymer, antibiotika eller andre kemiske dopingmidler giver mulighed for modifikation af bulkmaterialerne til funktionelle kompositter.

For at demonstrere applikationer, forskerne testede knogleskruerne udviklet med solid state-støbning in vivo og fandt ud af, at de viste biokompatibilitet som implanterede enheder, hvor de understøttede dannelsen af ​​ny knoglestruktur på skruefladerne uden betændelse. Silkeskruerne var også i stand til at resorbere, da de blev erstattet af knoglevæv. Resorptionshastigheden kan indstilles ved at forberede skruer ved forskellige temperaturer, spænder fra 97 grader til 145 grader Celsius, som ændrer krystalliniteten af ​​bulkmaterialet, og derfor dens evne til at absorbere vand.

Forskerne fremstillede også øreslanger - enheder brugt til at hjælpe med at dræne inficerede øregange - dopet med en protease, som nedbryder silkepolymeren for at accelerere nedbrydningen efter behov, efter at røret har udfyldt sin funktion.

"Den termiske støbeproces er gjort mulig, fordi den amorfe silke har et veldefineret smeltepunkt ved 97 grader Celsius, som tidligere opløsningsbaserede præparater ikke udviste, " sagde Chengchen Guo, post-doc forsker i Kaplan-laboratoriet og medførsteforfatter af undersøgelsen. "Det giver os meget kontrol over de strukturelle og mekaniske egenskaber af det, vi laver." Chunmei Li, Tufts forskningsassistent, der slog sig sammen med Guo som første forfatter, tilføjede, at "udgangsmaterialet - nanopellets - er også meget stabile og kan opbevares over lange perioder. Disse er betydelige fremskridt, der kan forbedre anvendelsen og skalerbarheden af ​​silkeproduktfremstilling."