Forskere bruger modificerede silkeproteiner til at skabe nye nonstick-overflader

Forskere ved Tufts University har udviklet en metode til at lave silkebaserede materialer, der nægter at holde sig til vand, eller næsten alt andet, der indeholder vand for den sags skyld. Faktisk har den modificerede silke, som kan støbes i former som plastik eller belægges på overflader som en film, non-stick egenskaber, der overgår dem på nonstick-overflader, der typisk bruges på køkkengrej, og den kan se applikationer, der strækker sig til en bred udvalg af forbrugerprodukter, samt medicin.

Silke er en naturlig fiber spundet af møl og er blevet brugt i tusinder af år til at fremstille holdbare og fine stoffer – og kirurgiske suturer til at lukke sår.

For nylig har forskere lært at nedbryde fibrene til deres grundlæggende proteinelement - silkefibroin - og rekonstituere det til geler, film, svampe og andre former for at skabe alt fra implanterbare ortopædiske skruer til tekstilblæk, der ændrer farve som reaktion på kroppen kemi.

"Det, der gør silke til et så unikt materiale, er, at det ikke kun kan antage en bred vifte af former og former, men man kan nemt ændre dets egenskaber ved kemisk at modificere silkefibroinen," siger Krishna Kumar, Robinson-professor i kemi ved Tufts.

"Hvis vi vil lave ortopædiske skruer, der absorberes af kroppen i forskellige hastigheder ved hjælp af silkefibroin, ændrer vi kemien," sagde han. "Hvis vi ønsker at skabe en blodsensor, der registrerer ilt, eller glukose eller andre blodkomponenter, ændrer vi kemien. I denne undersøgelse modificerede vi silkefibroin for at afvise vand, og vi kan gøre det på en måde, der kan 'tune' ' materialet skal være mere eller mindre vandafvisende."

Fremskridtet blev rapporteret i tidsskriftet ChemBioChem

At omdanne silke til et vandafvisende materiale involverede at dække overfladen af ​​silkefibroin med korte kemiske kæder indeholdende kulstof og fluor, kaldet perfluorcarboner. Disse kæder er meget stabile og reagerer ikke med andre kemikalier, og de interagerer heller ikke med proteiner og andre biologiske kemikalier i kroppen.

Mens den naturlige overflade af silkeproteinet virker som en magnet på vand, med negativt og positivt ladede grene på silken, der tiltrækker vand, efterlader et silkeprotein dækket med perfluorcarboner ikke meget for vandet at gribe fat i.

Perfluorcarboner modstår endda tiltrækning forårsaget af andre kræfter, der typisk bringer molekyler sammen. Ændring af antallet og længden af ​​perfluorcarbonkæder på silkeproteinet kan justere, hvor "uklistret" det opfører sig. Luke Davis, assisterende professor i kemi, fastslog det niveau af fluor, der kræves på overfladen af ​​silke for at udvise nonstick-adfærd.

Den kemiske syntese udføres under milde forhold, så i modsætning til produktionen af ​​andre non-stick stoffer, kan fremstillingsprocessen være mere sikker, både for arbejdere og miljøet. Sikker fremstilling og en vedvarende biologisk materialekilde markerer to felter for bæredygtighed.

Tufts-forskerne målte nonstick-egenskaben ved at observere, hvordan vand perler op på overfladen af ​​materialet - som hvordan vand ruller af en vokset bil. Faktisk rullede vandet på nonstick silke støbt til stænger med det højeste niveau af perfluorcarboner op til dråber, der er afrundet endnu tættere, end de gør på teflon.

Det er ikke kun vand, der ruller af nonstick-silken, men ethvert stof, der har vand som en hovedkomponent, som kan omfatte forskellige fødevarer, blod, celler og væv. Selvom det ikke er testet i denne undersøgelse, er perfluorerede materialer kendt for også at afvise olier.

"Modificering af medicinsk udstyr for at forhindre skadelige interaktioner med vand og andre biologiske stoffer har potentialet til at bevare styrke og integritet, så længe de er nødvendige," forklarede Julia Fountain, kandidatstuderende i Kumars laboratorium og medforfatter af papiret. "Silke er allerede relativt inert over for immunsystemet, så justering af dets evne til at afvise celler eller andre stoffer kan gøre det endnu mere nyttigt."

Fordelene ved meget nonstick-overflader rækker langt ud over medicinske applikationer. Selvom der er bekymring med hensyn til kemikalier, der absorberes i kroppen fra kommercielt tilgængelige nonstick-belægninger, kan silkebaserede non-stick-overflader tilbyde en alternativ mulighed, som kan udforskes for dens relative sikkerhed.

Man kunne også forestille sig bilruder, hvor regnvand bare ruller af uden at bruge vinduesviskere, belægninger på metaller, der hjælper med at forhindre rust, eller på stoffer for at gøre dem nemmere at rengøre.

"Den succes, vi havde med at modificere silke for at afvise vand, udvider vores succeser med kemisk modificering af silke til andre funktioner - såsom evnen til at ændre farve, lede elektrisk ladning eller fortsætte eller nedbrydes i et biologisk miljø," siger David Kaplan, Stern Family Professor i teknik ved Tufts. "Som et protein egner silke sig godt til modulær kemi - evnen til at 'tilslutte' forskellige funktionelle komponenter på et naturligt stillads." + Udforsk yderligere

Edderkoppesilkeegenskaber analyseret til brug som biobaserede fibre i det medicinske område