science >> Wetenschap >  >> Chemie

Wetenschappers maken krachtige onderwaterlijm geïnspireerd op zeepokken en mosselen

Modelvliegtuig geassembleerd met lijm op basis van zijde. Krediet:Marco Lo Presti, Tufts University

Als je ooit hebt geprobeerd een mossel van een zeewering of een zeepok van de bodem van een boot te halen, u zult begrijpen dat we veel van de natuur kunnen leren over het maken van krachtige lijmen. Ingenieurs van Tufts University hebben kennis genomen, en rapporteer vandaag een nieuw type lijm geïnspireerd door die hardnekkig aanhangende schaaldieren in het tijdschrift Geavanceerde wetenschap .

Beginnend met het vezelige zijde-eiwit geoogst uit zijderupsen, ze waren in staat om de belangrijkste kenmerken van zeepokken- en mossellijm na te bootsen, inclusief eiwitfilamenten, chemische verknoping en ijzerbinding. Het resultaat is een krachtige niet-giftige lijm die zowel onder water als in droge omstandigheden hardt en werkt en sterker is dan de meeste synthetische lijmproducten die nu op de markt zijn.

"De composiet die we hebben gemaakt, werkt niet alleen beter onder water dan de meeste lijmen die tegenwoordig verkrijgbaar zijn, het bereikt die sterkte met veel kleinere hoeveelheden materiaal, " zei Fiorenzo Omenetto, Frank C. Doble Professor of Engineering aan de Tufts School of Engineering, directeur van het Tufts Silklab waar het materiaal is gemaakt, en corresponderend auteur van de studie. "En omdat het materiaal is gemaakt van geëxtraheerde biologische bronnen, en de chemie is goedaardig - ontleend aan de natuur en grotendeels vermijden van synthetische stappen of het gebruik van vluchtige oplosmiddelen - het zou ook voordelen kunnen hebben bij de productie."

De "lijmploeg" van Silklab concentreerde zich op verschillende belangrijke elementen om te repliceren in aquatische lijmen. Mosselen scheiden lange kleverige filamenten af, byssus genaamd. Deze afscheidingen vormen polymeren, die zich insluiten in oppervlakken, en chemisch verknopen om de binding te versterken. De eiwitpolymeren zijn opgebouwd uit lange ketens van aminozuren, waaronder één, dihydroxyfenylalanine (DOPA), een catechol-dragend aminozuur dat kan verknopen met de andere ketens. De mosselen voegen nog een speciaal ingrediënt toe - ijzercomplexen - die de cohesiekracht van de byssus versterken.

Zeepokken scheiden een sterk cement af dat is gemaakt van eiwitten die zich vormen tot polymeren die op oppervlakken verankeren. De eiwitten in zeepokkencementpolymeren vouwen hun aminozuurketens in bètavellen - een zigzagrangschikking die vlakke oppervlakken en volop mogelijkheden biedt om sterke waterstofbindingen te vormen met het volgende eiwit in het polymeer, of aan het oppervlak waaraan het polymeerfilament hecht.

Geïnspireerd door al deze moleculaire bindingstrucs die door de natuur worden gebruikt, Omenetto's team ging aan de slag om ze te repliceren, en puttend uit hun expertise met de chemie van zijdefibroïne-eiwit gewonnen uit de cocon van zijderupsen. Silk fibroin deelt veel van de vorm- en bindingskenmerken van de zeepokkencementproteïnen, inclusief de mogelijkheid om grote beta-plaatoppervlakken samen te stellen. De onderzoekers voegden polydopamine toe - een willekeurig polymeer van dopamine dat over de lengte verknopende catecholen vertoont, net zoals de mosselen gebruiken om hun bindingsfilamenten te verknopen. Eindelijk, de hechtsterkte wordt aanzienlijk verbeterd door de lijm uit te harden met ijzerchloride, die banden tussen de catecholen beveiligt, net als bij natuurlijke mossellijmen.

"De combinatie van zijdefibroïne, polydopamine en ijzer brengen dezelfde hiërarchie van binding en verknoping samen die deze zeepokken- en mossellijmen zo sterk maken, " zei Marco Lo Presti, postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Omenetto en eerste auteur van de studie. "We eindigden met een lijm die er zelfs onder de microscoop uitziet als zijn natuurlijke tegenhanger."

De juiste mix van zijdefibroïne krijgen, polydopamine, en zure omstandigheden van uitharden met ijzerionen waren van cruciaal belang om de lijm onder water te laten uitharden en te laten werken, het bereiken van sterke punten van 2,4 MPa (megapascal; ongeveer 350 pond per vierkante inch) bij het weerstaan ​​van schuifkrachten. Dat is beter dan de meeste bestaande experimentele en commerciële lijmen, en slechts iets lager dan de sterkste onderwaterkleefstof van 2,8 MPa. Toch heeft deze lijm het extra voordeel dat hij niet giftig is, samengesteld uit volledig natuurlijke materialen, en vereist slechts 1-2 mg per vierkante inch om die binding te bereiken - dat zijn slechts een paar druppels.

"De combinatie van waarschijnlijke veiligheid, conservatief materiaalgebruik, en superieure sterkte suggereert potentieel bruikbaarheid voor veel industriële en maritieme toepassingen en zou zelfs geschikt kunnen zijn voor consumentgericht, zoals modelbouw en huishoudelijk gebruik, " zei prof. Gianluca Farinola, een medewerker aan de studie van de Universiteit van Bari Aldo Moro, en een adjunct-hoogleraar biomedische technologie bij Tufts. "Het feit dat we zijdefibroïne al hebben gebruikt als biocompatibel materiaal voor medisch gebruik, brengt ons ertoe om ook die toepassingen te onderzoeken, ", voegde Omenetto eraan toe.