Blanding af silke med polymerer kan føre til bedre biomedicinske implantater

Spundet af edderkopper og silkeorme, silke har mystificeret menneskelige ingeniører, som endnu ikke har fundet ud af, hvordan man kunstigt kan genskabe denne hårde, fine fibre. Men ved at kombinere silke, som er sikker til brug i den menneskelige krop, med syntetiske forbindelser, et forskerhold kommer tættere på at udvikle nye implanterbare kompositmaterialer med de bedste egenskaber af begge. Potentielle anvendelser, som stadig er år væk, kunne omfatte strukturer, der holder knoglen på plads efter operation eller udskiftninger af bruskpuderne i knæet.

Forskerne vil præsentere deres resultater i dag på American Chemical Society (ACS) Fall 2020 Virtual Meeting &Expo.

"Silke har et stort potentiale til brug i biomedicinske applikationer, " siger Juan Guan, Ph.D., projektets hovedefterforsker. "Silke er alsidigt, og den menneskelige krop tolererer det ret godt, og kan endda nedbryde og absorbere det."

Silke har en lang historie inden for medicin. Optegnelser om gamle læger, der syede patienter med fibre spundet af silkeorme, går tilbage næsten 2, 000 år. Og i dag, kirurger afslutter visse operationer, som dem på øjet, med silkesuturer.

Ved at kombinere silke og syntetiske polymerer, Guan og hendes kolleger ved Beihang University søger at udvikle alsidige nye materialer til brug i medicin og, potentielt, også andre felter. Mens andre forskere allerede har udviklet kompositmaterialer med silke, de har typisk arbejdet med korte fibre eller det primære protein i silke. Guan, imidlertid, fokuserer på silkestof vævet af en lang, enkelt tråd. Silkeorms kokoner kan indeholde fibre næsten 5, 000 fod lang, og når det bruges hel i stof, en sådan fiber kan mere effektivt fordele mekanisk belastning end en række kortere, diskrete, hun siger. I deres studier, Guans team bruger silke fra almindelige, tamme silkeorm Bombyx mori , såvel som hårdere, mere strækbare fibre fra de vilde arter Antheraea pernyi .

Forskerne kombinerer dette stof med en polymermatrix, ofte en epoxy, som bruges i klæbemidler. Sammen, stoffet og polymeren danner et laminat - svarende til den holdbare overfladebelægning, der findes på nogle møbler - som derefter kan skæres i de former, forskerne har brug for.

Guan og hendes kolleger siger, at egenskaberne af disse nye materialer kunne gøre dem til et bedre match med vævene i den menneskelige krop, end hvad der bliver brugt i dag. For eksempel, de samarbejder med ortopædiske læger om at udtænke strukturer, der ligner bure, der midlertidigt holder ryghvirvlerne på plads, når de smelter sammen efter operationen, en opgave, der i øjeblikket mest udføres ved hjælp af metal. Silkekompositternes hårdhed og stivhed er mere kompatibel med knogler, hvilket gør dem potentielt mere modstandsdygtige og alligevel mere komfortable end metalstrukturer, hun siger.

Der er udfordringer, imidlertid. Indersiden af ​​menneskekroppen er fugtig, et potentielt problem, fordi vand kan blødgøre og svække silke. I nye forsøg, Guan og hendes kolleger testede, hvordan silke-epoxy-kompositmaterialer holder sig, når de udsættes for fugt eller nedsænkes i vand. Til brug sammen med knogler, de skal bevare en vis stivhed. Forsøgene viste, at mens denne egenskab faldt under vådere forhold, kompositterne forblev stive nok til at fungere som implantater, hun siger.

Mens epoxyen sætter sig fast på silkefiberen, det har en stor ulempe:Kroppen kan ikke nedbryde epoxyen og absorbere den, hvilket betyder, at det ikke ville være egnet til implantater, der er beregnet til at opløses. Så, Guan begyndte for nylig at arbejde med biopolymerer, der som silke, kroppen kan nedbryde og absorbere. Imidlertid, disse kompositmaterialer har mindre intern kohæsion end dem, der indeholder en epoxy. "Nøglespørgsmålet er, hvordan man gør grænsefladen mellem biopolymeren og silkestoffet mere robust, " hun siger.

Forskerne søger også at supplere silke med andre typer fibre. I en nylig undersøgelse, de tilføjede kulfibre i blandingen. "Forestillingen om at hybridisere silke med andre fibre gør det muligt at producere et ret pænt spektrum af egenskaber, som du kan optimere til en given anvendelse, " siger Robert O. Ritchie, Ph.D, en forfatter til kulfiberundersøgelsen. Potentielle anvendelser for disse nye strukturelle materialer, han siger, kunne være hvor som helst:i den menneskelige krop, or even in tennis rackets or on airplane engines.