Bioinspireret proces gør materialer lette, robust, programmerbar på nano- til makro-skala

Forskere ved Tufts University's School of Engineering har udviklet en ny bioinspireret teknik, der omdanner silkeprotein til komplekse materialer, der er let programmerbare ved nano-, mikro- og makroskalaer samt ultralette og robuste. Blandt de forskellige strukturer, der blev genereret, var et væv af silke nanofibre, der kunne modstå en belastning 4, 000 gange sin egen vægt. Undersøgelsen er offentliggjort online i Natur nanoteknologi den 27. februar.

Strukturelle proteiner er naturens byggesten, danner materialer, der giver stivhed, struktur og funktion i biologiske systemer. En væsentlig hindring for fremstilling af sammenlignelige syntetiske materialer er naturlige materialers hierarkiske struktur, som giver unikke egenskaber fra molekylært til makroniveau. Når videnskabsmænd forsøger at efterligne denne struktur, de oplever ofte, at kontrol på én skala hindrer kontrol på andre skalaer.

Tufts-forskerne kombinerede bottom-up selvsamling, der var karakteristisk for naturlige materialer med rettet, top-down samling til samtidig styring af geometri på alle skalaer, mikromekaniske begrænsninger og opløsningsmiddelfjernelsesdynamik - som alle bestemmer biomaterialeegenskaber.

"Vi genererede kontrollerbare, multi-skala materialer, der let kunne konstrueres med dopingmidler. Mens silke er vores hovedfokus, vi mener, at denne tilgang er anvendelig til andre biomaterialer og kompositter og syntetiske hydrogeler, " sagde den tilsvarende forfatter Fiorenzo Omenetto, Ph.D., Frank C. Doble Professor ved Institut for Biomedicinsk Teknik. Omenetto har desuden en ansættelse i Institut for Elektro- og Computerteknik og i Institut for Fysik inden for Kunst- og Videnskabsskolen.

Med den nye teknik, silikoneforme i centimeter-skala blev mønstret med mikroskala-træk, der ikke var tykkere end et menneskehår. En vandig fibroinproteingel afledt af silkeormskokoner blev sprøjtet ind i formene og derefter mekanisk belastet ved sammentrækning af gelen i nærværelse af vand og ethanol og/eller fysisk deformation af hele skimmelsvampen. Da systemet tørrede, silkeproteinets struktur transformeres naturligt til en mere robust beta-sheet krystal. Materialets endelige form og mekaniske egenskaber blev præcist konstrueret ved at kontrollere mikroskala formmønsteret, gel sammentrækning, skimmelsvamp deformation og silkedehydrering.

"Det endelige resultat af vores proces er en stabil arkitektur af justerede nanofibre, ligner naturlig silke, men giver os mulighed for at konstruere funktionalitet i materialet, " sagde førsteforfatter Peter Tseng, Ph.D., postdoc i Omenetto's Silk Lab på Tufts' School of Engineering.

I nogle af eksperimenterne dopede Tufts-forskerne silkegelen med guld-nanopartikler, som var i stand til at transportere varme, når de blev udsat for lys.

Tseng bemærkede, at spind spundet af edderkopper er strukturelt tætte snarere end porøse. "I modsætning, vores webstruktur er luftet, porøs og ultralet, samtidig med at den er robust over for menneskelig berøring, som kan muliggøre hverdagsapplikationer i fremtiden, " sagde han. Et væv med en diameter på 2 til 3 cm, der vejede ca. 2,5 mg, var i stand til at bære en vægt på 11 gram.