Forskere laver kraftfuld undervandslim inspireret af havbarn og muslinger

Hvis du nogensinde har prøvet at hugge en musling ud af en havmur eller et fjeder af bunden af ​​en båd, du vil forstå, at vi kunne lære meget af naturen om, hvordan man laver kraftfulde klæbemidler. Ingeniører på Tufts University har noteret sig, og rapporter i dag om en ny type lim inspireret af de stædigt vedhæftende krebsdyr i journalen Avanceret videnskab .

Startende med det fibrøse silkeprotein høstet fra silkeorme, de var i stand til at replikere nøgleegenskaber ved bramse- og muslingelim, herunder proteinfilamenter, kemisk tværbinding og jernbinding. Resultatet er en kraftig, giftfri lim, der sætter og fungerer lige så godt under vandet som under tørre forhold og er stærkere end de fleste syntetiske limprodukter, der nu findes på markedet.

"Det komposit, vi skabte, fungerer ikke kun bedre under vandet end de fleste klæbemidler, der findes i dag, den opnår denne styrke med meget mindre mængder materiale, "sagde Fiorenzo Omenetto, Frank C. Doble Professor i teknik ved Tufts School of Engineering, direktør for Tufts Silklab, hvor materialet blev oprettet, og tilsvarende forfatter til undersøgelsen. "Og fordi materialet er fremstillet af ekstraherede biologiske kilder, og kemierne er godartede - hentet fra naturen og i høj grad undgår syntetiske trin eller brug af flygtige opløsningsmidler - det kan også have fordele i fremstillingen. "

Silklab "limbesætningen" fokuserede på flere nøgleelementer, der skulle replikeres i akvatiske klæbemidler. Muslinger udskiller lange klæbrige filamenter kaldet byssus. Disse sekreter danner polymerer, der ligger i overflader, og kemisk tværbinding for at styrke bindingen. Proteinpolymererne består af lange kæder af aminosyrer, herunder en, dihydroxyphenylalanin (DOPA), en katecholbærende aminosyre, der kan krydsbinde med de andre kæder. Muslingerne tilføjer endnu en særlig ingrediens - jernkomplekser - der forstærker byssusens sammenhængende styrke.

Barnakler udskiller en stærk cement fremstillet af proteiner, der dannes til polymerer, som forankres på overflader. Proteinerne i barnacle cementpolymerer folder deres aminosyrekæder til betablader-et zig-zag-arrangement, der præsenterer flade overflader og masser af muligheder for at danne stærke hydrogenbindinger til det næste protein i polymeren, eller til overfladen, som polymerfilamentet fastgøres til.

Inspireret af alle disse molekylære bindings -tricks brugt af naturen, Omenettos team begyndte at replikere dem, og trækker på deres ekspertise med kemien af ​​silkefibroinprotein ekstraheret fra silkeormens kokon. Silkefibroin deler mange af formen og bindingsegenskaberne ved barnacle -cementproteinerne, herunder evnen til at samle store betabladeoverflader. Forskerne tilføjede polydopamin-en tilfældig polymer af dopamin, der præsenterer tværbindende katekoler langs dens længde, meget som muslingerne bruger til at tværbinde deres bindingsfilamenter. Endelig, vedhæftningsstyrken forbedres betydeligt ved at hærde klæbemidlet med jernchlorid, som sikrer bånd på tværs af katekolerne, ligesom de gør i naturlige muslingelim.

"Kombinationen af ​​silke fibroin, polydopamin og jern samler det samme hierarki af binding og tværbinding, der gør disse barnacle- og muslingeklæbemidler så stærke, "sagde Marco Lo Presti, postdoktor i Omenettos laboratorium og første forfatter af undersøgelsen. "Vi endte med et klæbemiddel, der endda ligner sit naturlige modstykke under mikroskopet."

Få den rigtige blanding af silke fibroin, polydopamin, og sure betingelser for hærdning med jernioner var afgørende for, at klæbemidlet kunne sætte sig og arbejde under vandet, når styrker på 2,4 MPa (megapascal; ca. 350 pounds per square inch), når de modstår forskydningskræfter. Det er bedre end de fleste eksisterende eksperimentelle og kommercielle klæbemidler, og kun lidt lavere end det stærkeste undervandslim på 2,8 MPa. Alligevel har dette klæbemiddel den ekstra fordel, at det er giftfrit, sammensat af helt naturlige materialer, og kræver kun 1-2 mg pr. kvadratmeter for at opnå denne binding-det er bare et par dråber.

"Kombinationen af ​​sandsynlig sikkerhed, konservativ brug af materiale, og overlegen styrke antyder potentiel nytteværdi for mange industrielle og marine applikationer og kan endda være egnet til forbrugerorienteret såsom modelbygning og husholdningsbrug, "sagde prof. Gianluca Farinola, en samarbejdspartner om undersøgelsen fra University of Bari Aldo Moro, og en adjungeret professor i biomedicinsk teknik på Tufts. "Det faktum, at vi allerede har brugt silkefibroin som et biokompatibelt materiale til medicinsk brug, får os også til at undersøge disse applikationer, "tilføjede Omenetto.